CN112695280A - 一种高温自润滑叠层涂层刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温自润滑叠层涂层刀具及其制备方法，其中高温自润滑叠层涂层刀具包括刀具基体和复合涂层，所述复合涂层沉积在所述刀具基体的表面；所述复合涂层包括第一涂层和第二涂层，所述第一涂层和第二涂层交替叠加；所述第一涂层为AlZnMoC涂层，所述第二涂层为ZrAgVN涂层。复合涂层采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具基体表面制备。在高的切削温度下，该刀具表面AlZnMoC涂层、ZrAgVN涂层与空气中O2会发生反应，生成具有高温润滑作用的ZnMoO4和Ag3VO4化合物，从而能够起到润滑作用。该刀具在高的切削温度下具有良好的自润滑功效，可减小刀具摩擦磨损，提高刀具寿命。
Description
技术领域
本发明属于切削刀具制造技术领域，具体来说，涉及一种高温自润滑叠层涂层刀具及其制备方法。
背景技术
刀具切削过程中存在较大摩擦，产生高的热量，接触区处于高温、高压状态。发生在刀具上的摩擦与磨损会造成刀具钝化失效，使切削无法进行。因此，通过润滑降低刀具摩擦磨损，对于提高刀具寿命具有重要意义。自润滑刀具无需润滑油及其复杂的润滑系统，刀具材料本身具有减摩、抗磨和润滑功能，能够在工作表面形成润滑膜，实现刀具自润滑切削加工，从而减小摩擦磨损。自润滑刀具对降低加工成本，防止切削液对环境污染，实现绿色制造具有重要的意义。
近几年对自润滑刀具的研究取得了很大的进展。中国专利“申请号：200910256536.9”报道了一种软硬复合涂层刀具及其制备方法，该刀具采用中频磁控沉积和多弧离子镀膜方法制备MoS2/ZrN复合涂层刀具，该刀具可实现切削过程的自润滑。中国专利“申请号：201810575624.4”报道了一种多层多元纳米复合自润滑硬质涂层及其制备方法和应用，该刀具将AlTiN和MoVCuN涂层结合，可实现一定宽温域范围的自润滑效果。中国专利“申请号：201310465488.0”报道了一种激光熔覆软硬复合涂层自润滑刀具的制备方法，通过激光熔覆方式将含有MoS2或WS2的自润滑涂层熔覆在刀具表面，实现自润滑刀具的制备。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种高温自润滑叠层涂层刀具及其制备方法，该刀具在高的切削温度下，能够在表面生成润滑膜，实现刀具切削过程中的自润滑，从而减小刀具摩擦磨损，提高刀具寿命。
为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供如下技术方案：一种高温自润滑叠层涂层刀具，包括刀具基体和复合涂层，所述复合涂层沉积在所述刀具基体的表面；所述复合润滑层包括第一涂层和第二涂层，所述第一涂层和第二涂层交替叠加；所述第一涂层为AlZnMoC涂层，所述第二涂层为ZrAgVN涂层。
优选的，所述复合涂层至少含有5层AlZnMoC层和5层ZrAgVN层，第一涂层和第二涂层的单层厚度均小于等于200nm。
优选的，第一涂层中Al元素原子百分比为30-40％，Zn元素原子百分比为10-20％，Mo元素原子百分比为10-15％，C元素原子百分比为30-40％，所述Al、Zn、Mo、C元素原子百分比之和为100％。
优选的，第二涂层中Zr元素原子百分比为30-40％，Ag元素原子百分比为10-20％，V元素原子百分比为10-20％，N元素原子百分比为30-40％，所述Zr、Ag、V、N元素原子百分比之和为100％。
优选的，所述刀具基体材料为高速钢、硬质合金、陶瓷或立方氮化硼。
另一方面，本发明实施例还提供一种制备高温自润滑叠层涂层刀具的制备方法，包括：
步骤1、将刀具基体依次放入酒精和丙酮中超声清洗各30-40min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10-3-9.0×10-3Pa，加热至180-200℃，保温时间30-40min。
步骤2、通入Ar2，其压力为0.5-2.5Pa，开启偏压电源，电压为900-1000V，占空比为0.25-0.3，辉光放电清洗20-30min；偏压降低至400-600V，开启离子源离子清洗20-30min，开启电弧源Zr靶，偏压为500-600V，靶电流为40-60A，离子轰击Zr靶0.5-2.0min；
步骤3、关闭Zr靶，调整工作气压为0.5-1.5Pa，偏压为200-300V，开启Al靶，调整Al靶电流为100-120A，开启ZnMoC复合靶，靶电流调至90-100A，沉积第一润滑层1-10min；
步骤4、关闭Al靶和ZnMoC靶，调整工作气压为1.5-2.0Pa，偏压为300-350V，开启Zr靶、Ag靶和VN靶电弧电源，Zr靶电流为100-120A，Ag靶电流为80-90A，VN靶电流为100-120A，沉积第二润滑层1-10min；
步骤5、重复步骤3和步骤4，交替沉积第一润滑层和第二润滑层叠层涂层，使复合润滑层总厚度为1-6μm；
步骤6、关闭所有靶材、偏压电源及气体源，保温30-60min，涂层结束。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：1.本发明的刀具具有高温自润滑功效，切削温度较高时，AlZnMoC、ZrAgVN与空气中O2会发生反应，生成ZnMoO4和Ag3VO4高温润滑剂，从而能够在高的切削温下起到良好的润滑作用；2.本发明的刀具表面涂层为纳米叠层结构，内应力较小，涂层结合强度高；3.本发明的刀具为自润滑刀具，无需润滑油，适合干切削，符合绿色制造及可持持续发展理念。
附图说明
图1为本发明的高温自润滑叠层涂层刀具结构示意图。
图中：1为刀具基体材料，2为第一涂层，3为第二涂层。
具体实施方式
以下的说明本质上仅仅是示例性的而并不是为了限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在全部附图中，对应的附图标记表示相同或对应的部件和特征。
如图1所示，本发明采用的实施例如下：
实例1：一种高温自润滑叠层涂层刀具，刀具基体材料为W18Cr4V高速钢，刀具基体表面具有AlZnMoC+ZrAgVN交替叠加的叠层涂层。该叠层涂层含有5层AlZnMoC层和5层ZrAgVN层，且AlZnMoC涂层与ZrAgVN涂层的单层厚度均为200nm。
上述高温自润滑涂层刀具，AlZnMoC涂层中Al元素原子百分比为40％，Zn元素原子百分比为10％，Mo元素原子百分比为10％，C元素原子百分比为40％，所述Al、Zn、Mo、C元素原子百分比之和为100％；ZrAgVN涂层中Zr元素原子百分比为40％，Ag元素原子百分比为10％，V元素原子百分比为10％，N元素原子百分比为40％，所述Zr、Ag、V、N元素原子百分比之和为100％。
上述高温自润滑叠层涂层刀具，其具体制备方法如下：
步骤1、将刀具基体依次放入酒精和丙酮中超声清洗各40min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10-3Pa，加热至180℃，保温时间30min。
步骤2、通入Ar2，其压力为1.0Pa，开启偏压电源，电压为900V，占空比为0.25，辉光放电清洗20min；偏压降低至400V，开启离子源离子清洗20min，开启电弧源Zr靶，偏压为550V，靶电流为40A，离子轰击Zr靶1.0min；
步骤3、关闭Zr靶，调整工作气压为0.8Pa，偏压为200V，开启Al靶，调整Al靶电流为120A，开启ZnMoC复合靶，靶电流调至90A，沉积AlZnMoC涂层10min；
步骤4、关闭Al靶和ZnMoC靶，调整工作气压为1.5Pa，偏压为300V，开启Zr靶、Ag靶和VN靶电弧电源，Zr靶电流为120A，Ag靶电流为80A，VN靶电流为110A，沉积ZrAgVN涂层10min；
步骤5、重复以上步骤3和4，交替沉积AlZnMoC+ZrAgVN叠层涂层，使涂层总厚度为2μm；
步骤6、关闭所有靶材、偏压电源及气体源，保温30min，涂层结束。
实例2：一种高温自润滑叠层涂层刀具，刀具基体材料为立方氮化硼，刀具基体表面具有AlZnMoC+ZrAgVN交替叠加的叠层涂层。该叠层涂层含有50层AlZnMoC层和50层ZrAgVN层，且AlZnMoC涂层与ZrAgVN涂层的单层厚度均等于50nm。
上述高温自润滑涂层刀具，AlZnMoC涂层中Al元素原子百分比为30％，Zn元素原子百分比为20％，Mo元素原子百分比为15％，C元素原子百分比为35％，所述Al、Zn、Mo、C元素原子百分比之和为100％；ZrAgVN涂层中Zr元素原子百分比为30％，Ag元素原子百分比为20％，V元素原子百分比为20％，N元素原子百分比为30％，所述Zr、Ag、V、N元素原子百分比之和为100％。
上述高温自润滑叠层涂层刀具，其具体制备方法如下：
步骤1、将刀具基体依次放入酒精和丙酮中超声清洗各40min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为8.0×10-3Pa，加热至200℃，保温时间40min；
步骤2、通入Ar2，其压力为2.5Pa，开启偏压电源，电压为950V，占空比为0.3，辉光放电清洗30min；偏压降低至500V，开启离子源离子清洗30min，开启电弧源Zr靶，偏压为600V，靶电流为60A，离子轰击Zr靶1.5min；
步骤3、关闭Zr靶，调整工作气压为1.5Pa，偏压为300V，开启Al靶，调整Al靶电流为100A，开启ZnMoC复合靶，靶电流调至95A，沉积AlZnMoC涂层1.5min；
步骤4、关闭Al靶和ZnMoC靶，调整工作气压为2.0Pa，偏压为350V，开启Zr靶、Ag靶和VN靶电弧电源，Zr靶电流为100A，Ag靶电流为90A，VN靶电流为100A，沉积ZrAgVN涂层1.5min；
步骤5、重复以上步骤3和4，交替沉积AlZnMoC+ZrAgVN叠层涂层，使涂层总厚度为5μm；
步骤6、关闭所有靶材、偏压电源及气体源，保温60min，涂层结束。
实例3：一种高温自润滑叠层涂层刀具，刀具基体材料为立方氮化硼，刀具基体表面具有AlZnMoC+ZrAgVN交替叠加的叠层涂层。该叠层涂层含有10层AlZnMoC层和10层ZrAgVN层，且AlZnMoC涂层与ZrAgVN涂层的单层厚度均等于80nm。
上述高温自润滑涂层刀具，AlZnMoC涂层中Al元素原子百分比为38％，Zn元素原子百分比为18％，Mo元素原子百分比为14％，C元素原子百分比为30％，所述Al、Zn、Mo、C元素原子百分比之和为100％；ZrAgVN涂层中Zr元素原子百分比为35％，Ag元素原子百分比为15％，V元素原子百分比为15％，N元素原子百分比为35％，所述Zr、Ag、V、N元素原子百分比之和为100％。
上述高温自润滑叠层涂层刀具，其具体制备方法如下：
步骤1、将刀具基体依次放入酒精和丙酮中超声清洗各30min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为9.0×10-3Pa，加热至190℃，保温时间35min；
步骤2、通入Ar2，其压力为0.5Pa，开启偏压电源，电压为1000V，占空比为0.28，辉光放电清洗28min；偏压降低至600V，开启离子源离子清洗30min，开启电弧源Zr靶，偏压为500V，靶电流为50A，离子轰击Zr靶0.5min；
步骤3、关闭Zr靶，调整工作气压为0.5Pa，偏压为250V，开启Al靶，调整Al靶电流为110A，开启ZnMoC复合靶，靶电流调至100A，沉积AlZnMoC涂层1min；
步骤4、关闭Al靶和ZnMoC靶，调整工作气压为1.8Pa，偏压为330V，开启Zr靶、Ag靶和VN靶电弧电源，Zr靶电流为110A，Ag靶电流为85A，VN靶电流为110A，沉积ZrAgVN涂层1min；
步骤5、重复以上步骤3和4，交替沉积AlZnMoC+ZrAgVN叠层涂层，使涂层总厚度为1μm；
步骤6、关闭所有靶材、偏压电源及气体源，保温40min，涂层结束。
实例4：一种高温自润滑叠层涂层刀具，刀具基体材料为立方氮化硼，刀具基体表面具有AlZnMoC+ZrAgVN交替叠加的叠层涂层。该叠层涂层含有30层AlZnMoC层和30层ZrAgVN层，且AlZnMoC涂层与ZrAgVN涂层的单层厚度均等于150nm。
上述高温自润滑涂层刀具，AlZnMoC涂层中Al元素原子百分比为30％，Zn元素原子百分比为20％，Mo元素原子百分比为15％，C元素原子百分比为35％，所述Al、Zn、Mo、C元素原子百分比之和为100％；ZrAgVN涂层中Zr元素原子百分比为40％，Ag元素原子百分比为15％，V元素原子百分比为15％，N元素原子百分比为30％，所述Zr、Ag、V、N元素原子百分比之和为100％。
上述高温自润滑叠层涂层刀具，其具体制备方法如下：
步骤1、将刀具基体依次放入酒精和丙酮中超声清洗各35min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为9.0×10-3Pa，加热至200℃，保温时间40min；
步骤2、通入Ar2，其压力为2Pa，开启偏压电源，电压为1000V，占空比为0.3，辉光放电清洗30min；偏压降低至400V，开启离子源离子清洗30min，开启电弧源Zr靶，偏压为500V，靶电流为60A，离子轰击Zr靶2min；
步骤3、关闭Zr靶，调整工作气压为1Pa，偏压为300V，开启Al靶，调整Al靶电流为100A，开启ZnMoC复合靶，靶电流调至95A，沉积AlZnMoC涂层5min；
步骤4、关闭Al靶和ZnMoC靶，调整工作气压为2.0Pa，偏压为350V，开启Zr靶、Ag靶和VN靶电弧电源，Zr靶电流为110A，Ag靶电流为90A，VN靶电流为100A，沉积ZrAgVN涂层1.5min；
步骤5、重复以上步骤3和4，交替沉积AlZnMoC+ZrAgVN叠层涂层，使涂层总厚度为6μm；
步骤6、关闭所有靶材、偏压电源及气体源，保温50min，涂层结束。
本发明中所述具体实施案例仅为本发明的优选实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。
Claims (6)
1.一种高温自润滑叠层涂层刀具，其特征在于，包括刀具基体(1)和复合涂层，所述复合涂层沉积在所述刀具基体(1)的表面；所述复合涂层包括第一涂层(2)和第二涂层(3)，所述第一涂层(2)和第二涂层(3)交替叠加；所述第一涂层(2)为AlZnMoC涂层，所述第二涂层(3)为ZrAgVN涂层。
2.根据权利要求1所述的高温自润滑叠层涂层刀具，其特征在于，所述复合涂层至少含有5层AlZnMoC层和5层ZrAgVN层，第一涂层(2)和第二涂层(3)的单层厚度均小于等于200nm。
3.根据权利要求1所述的一种高温自润滑叠层涂层刀具，其特征在于，第一涂层(2)中Al元素原子百分比为30-40％，Zn元素原子百分比为10-20％，Mo元素原子百分比为10-15％，C元素原子百分比为30-40％，所述Al、Zn、Mo、C元素原子百分比之和为100％。
4.根据权利要求1所述的一种高温自润滑涂层刀具，其特征在于，第二涂层(3)中Zr元素原子百分比为30-40％，Ag元素原子百分比为10-20％，V元素原子百分比为10-20％，N元素原子百分比为30-40％，所述Zr、Ag、V、N元素原子百分比之和为100％。
5.权利要求1所述的一种高温自润滑叠层涂层刀具，其特征在于，所述刀具基体(1)材料为高速钢、硬质合金、陶瓷或立方氮化硼。
6.一种制备权利要求1-5任意一项所述的高温自润滑叠层涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1、将刀具基体(1)依次放入酒精和丙酮中超声清洗各30-40min，去除表面油渍污染物，采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空为7.0×10-3-9.0×10-3Pa，加热至180-200℃，保温时间30-40min。
步骤2、通入Ar2，其压力为0.5-2.5Pa，开启偏压电源，电压为900-1000V，占空比为0.25-0.3，辉光放电清洗20-30min；偏压降低至400-600V，开启离子源离子清洗20-30min，开启电弧源Zr靶，偏压为500-600V，靶电流为40-60A，离子轰击Zr靶0.5-2.0min；
步骤3、关闭Zr靶，调整工作气压为0.5-1.5Pa，偏压为200-300V，开启Al靶，调整Al靶电流为100-120A，开启ZnMoC复合靶，靶电流调至90-100A，沉积第一涂层(2)1-10min；
步骤4、关闭Al靶和ZnMoC靶，调整工作气压为1.5-2.0Pa，偏压为300-350V，开启Zr靶、Ag靶和VN靶电弧电源，Zr靶电流为100-120A，Ag靶电流为80-90A，VN靶电流为100-120A，沉积第二涂层(3)1-10min；
步骤5、重复步骤3和步骤4，交替沉积第一涂层和第二涂层，得到叠层涂层，使复合涂层总厚度为1-6μm；
步骤6、关闭所有靶材、偏压电源及气体源，保温30-60min，涂层结束。
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