專利名稱：自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機械切削刀具制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前，國內(nèi)外減小刀具切削加工時的摩擦磨損的主要辦法是使用具有一定潤滑作用的切削液。切削液的主要作用是改善加工過程的摩擦潤滑狀態(tài)，降低切削溫度，從而提高刀具壽命。但在高速切削過程中，采用切削液潤滑存在以下不足(1)在高溫作用下切削液中的添加劑很難與刀具表面發(fā)生作用而形成能充分接觸的邊界膜。(2)切削液隨溫度升高，其粘性呈指數(shù)下降；(3)高溫環(huán)境下液態(tài)潤滑性能的衰退。因此，對于高速干切削等存在很高切削高溫的場合，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能很好的滿足潤滑的要求。另一方面，切削液的制造、使用及排放需消耗大量的能源和資源，并且切削液在各個時期均會對環(huán)境造成嚴重污染。解決這一問題的最有效途徑是采用少、無切削液的對環(huán)境友好的綠色干加工技術(shù)。但高速干切削時，由于缺少切削液的潤滑和冷卻作用，刀具工件和刀具切屑之間的摩擦條件異常嚴酷，摩擦力增加，切削溫度急劇上升，刀具的磨損非常嚴重。為此，急需尋求一種新的技術(shù)，來降低高速干切削時刀具與工件之間的摩擦系數(shù)。
中國專利“專利號ZL 2004100242261”報道了Al2O3/TiC/CaF2自潤滑陶瓷刀具材料，它是將CaF2固體潤滑劑添加到Al2O3/TiC陶瓷刀具材料中制成自潤滑陶瓷復合刀具材料。中國專利“申請?zhí)?00510012957.9”報道了高速鋼刀具固體潤滑軟涂層及制備方法，它是采用煮涂法，將預處理好的刀具放入配制好的煮涂液中，在刀具表面吸附一層固體潤滑劑，然后采用浸涂法，將刀具放入浸涂液中固化，制成刀具軟涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法。該刀具具有自潤滑功能，其涂層為多層結(jié)構(gòu)，刀具表面為MoS2層，MoS2層與刀具基體之間有Ti、MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr過度層，可減小殘余應(yīng)力，增加涂層與刀具基體間的結(jié)合強度。該自潤滑復合軟涂層刀具進行干切削時，刀具表面能形成具有潤滑作用的連續(xù)固態(tài)潤滑層，可達到減小摩擦、阻止粘結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。
本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的。
自潤滑復合軟涂層刀具，基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，涂層材料為Ti、Zr和MoS2；刀具表面為MoS2層，MoS2層與刀具基體之間有Ti、MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr過度層。
自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法，其沉積方式為中頻磁控沉積MoS2+多弧法鍍Zr和Ti。
自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法，制備方法的步驟為(1)前處理將刀具基體材料拋光至鏡面光潔度，去除表面污染層，依次放入酒精、丙酮中超聲清洗各15min，去除表面汗?jié)n、油污等污物，干燥充分后迅速放入真空室。真空室本底真空7.0×10-3Pa，加熱至160℃，保溫30～40min。
(2)離子清洗通Ar氣0.6～1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓800～900V，占空比0.2，輝光放電清洗15min；降低偏壓至200V/0.2，開啟離子源離子清洗15min。開啟電弧源，偏壓300V，靶電流45～50A，離子轟擊Ti靶0.5min。
(3)沉積Ti調(diào)整Ar氣壓為0.4～0.5Pa，降低偏壓至200V，并適當升高Ti靶電流，電弧鍍Ti 3～5min。
(4)沉積MoS2/Ti/Zr開啟MoS2靶、Zr靶，復合沉積MoS2/Ti/Zr 8～12min。其中Ti靶電流50～60A；Zr靶電流60～70A；MoS2靶電流1.3～1.6A。
(5)沉積MoS2/Zr關(guān)閉Ti靶，將偏壓從200V逐步降低至50V，然后再將偏壓逐步升高至200V，這一過程持續(xù)時間為60～80min，并適時地交替開啟和關(guān)閉離子源。
(6)沉積MoS2偏壓調(diào)至200V，關(guān)閉離子源，關(guān)閉Zr靶，沉積MoS210～15min。
(7)后處理關(guān)閉MoS2靶，開離子源轟擊5～8min。關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
通過上述工藝制備的MoS2/Zr/Ti自潤滑復合軟涂層刀具，刀具表面為MoS2層，MoS2層與刀具基體間具有Ti、MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr過度層，可減小殘余應(yīng)力，增加涂層與刀具基體間的結(jié)合強度。該刀具進行干切削時，刀具表面能形成具有潤滑作用的連續(xù)固態(tài)潤滑層，從而實現(xiàn)刀具的自潤滑功能。由于固體潤滑劑具有較低的剪切強度，存在于刀具表面的固態(tài)潤滑層會轉(zhuǎn)移到工件材料表面，形成轉(zhuǎn)移膜，切削過程中摩擦發(fā)生在固態(tài)潤滑層內(nèi)部，從而可達到減小摩擦、阻止粘結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。該自潤滑復合軟涂層刀具可廣泛應(yīng)用于干切削和難加工材料的切削加工，利用自潤滑復合軟涂層刀具進行干切削是一種環(huán)境效益和經(jīng)濟效益俱佳的工藝選擇，具有廣闊應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明的自潤滑復合軟涂層刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中1為刀具基體、2為Ti層、3為MoS2/Zr/Ti層、4為MoS2/Zr層、5為MoS2層。
具體實施例方式下面給出本發(fā)明的二個最佳實施例實施例一一種自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法，該刀具的基體材料為W18Cr4V高速鋼；涂層材料為Ti、Zr和MoS2；沉積方式為中頻磁控沉積MoS2+多弧法鍍Zr和Ti。其制備工藝步驟如下(1)前處理將W18Cr4V高速鋼刀具基體材料拋光至鏡面光潔度，去除表面污染層，依次放入酒精、丙酮中超聲清洗各15min，去除表面汗?jié)n、油污等污物，干燥充分后迅速放入真空室。真空室本底真空7.0×10-3Pa，加熱至160℃，保溫30min。
(2)離子清洗通Ar氣0.8Pa，開啟偏壓電源，電壓800V，占空比0.2，輝光放電清洗15min；降低偏壓至200V/0.2，開啟離子源離子清洗15min。開啟電弧源，偏壓300V，靶電流45A，離子轟擊Ti靶0.5min。
(3)沉積Ti調(diào)整Ar氣壓為0.4Pa，降低偏壓至200V，并適當升高Ti靶電流，電弧鍍Ti3min。
(4)沉積MoS2/Ti/Zr開啟MoS2靶、Zr靶，復合沉積MoS2/Ti/Zr 8min。其中Ti靶電流50A；Zr靶電流60A；MoS2靶電流1.3A。
(5)沉積MoS2/Zr關(guān)閉Ti靶，將偏壓從200V逐步降低至50V，然后再將偏壓逐步升高至200V，這一過程持續(xù)時間為60min，并適時地交替開啟和關(guān)閉離子源。
(6)沉積MoS2偏壓調(diào)至200V，關(guān)閉離子源，關(guān)閉Zr靶，沉積MoS210min。
(7)后處理關(guān)閉MoS2靶，開離子源轟擊5min。關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
實施例二一種自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法，該刀具的基體材料為YT14硬質(zhì)合金；涂層材料為Ti、Zr和MoS2；沉積方式為中頻磁控沉積MoS2+多弧法鍍Zr和Ti。其制備工藝步驟如下(1)前處理將YT14硬質(zhì)合金刀具基體材料拋光至鏡面光潔度，去除表面污染層，依次放入酒精、丙酮中超聲清洗各15min，去除表面汗?jié)n、油污等污物，干燥充分后迅速放入真空室。真空室本底真空7.0×10-3Pa，加熱至160℃，保溫40min。
(2)離子清洗通Ar氣1.0Pa，開啟偏壓電源，電壓900V，占空比0.2，輝光放電清洗15min；降低偏壓至200V/0.2，開啟離子源離子清洗15min。開啟電弧源，偏壓300V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶0.5min。
(3)沉積Ti調(diào)整Ar氣壓為0.5Pa，降低偏壓至200V，并適當升高Ti靶電流，電弧鍍Ti 5min。
(4)沉積MoS2/Ti/Zr開啟MoS2靶、Zr靶，復合沉積MoS2/Ti/Zr 12min。其中Ti靶電流60A；Zr靶電流70A；MoS2靶電流1.6A。
(5)沉積MoS2/Zr關(guān)閉Ti靶，將偏壓從200V逐步降低至50V，然后再將偏壓逐步升高至200V，這一過程持續(xù)時間為80min，并適時地交替開啟和關(guān)閉離子源。
(6)沉積MoS2偏壓調(diào)至200V，關(guān)閉離子源，關(guān)閉Zr靶，沉積MoS215min。
(7)后處理關(guān)閉MoS2靶，開離子源轟擊6min。關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
權(quán)利要求
1.自潤滑復合軟涂層刀具，基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，其特征是涂層材料為Ti、Zr和MoS2；刀具表面為MoS2層，MoS2層與刀具基體之間有Ti、MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr過度層。
2.自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法，其特征在于沉積方式為中頻磁控沉積MoS2+多弧法鍍Zr和Ti。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法，其特征是制備方法的步驟為(1)前處理將刀具基體材料拋光至鏡面光潔度，去除表面污染層，依次放入酒精、丙酮中超聲清洗各15min，去除表面汗?jié)n、油污等污物，干燥充分后迅速放入真空室。真空室本底真空7.0×10-3Pa，加熱至160℃，保溫30～40min。(2)離子清洗通Ar氣0.6～1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓800～900V，占空比0.2，輝光放電清洗15min；降低偏壓至200V/0.2，開啟離子源離子清洗15min。開啟電弧源，偏壓300V，靶電流45～50A，離子轟擊Ti靶0.5min。(3)沉積Ti調(diào)整Ar氣壓為0.4～0.5Pa，降低偏壓至200V，并適當升高Ti靶電流，電弧鍍Ti 3～5min。(4)沉積MoS2/Ti/Zr開啟MoS2靶、Zr靶，復合沉積MoS2/Ti/Zr 8～12min。其中Ti靶電流50～60A；Zr靶電流60～70A；MoS2靶電流1.3～1.6A。(5)沉積MoS2/Zr關(guān)閉Ti靶，將偏壓從200V逐步降低至50V，然后再將偏壓逐步升高至200V，這一過程持續(xù)時間為60～80min，并適時地交替開啟和關(guān)閉離子源。(6)沉積MoS2偏壓調(diào)至200V，關(guān)閉離子源，關(guān)閉Zr靶，沉積MoS210～15min。(7)后處理關(guān)閉MoS2靶，開離子源轟擊5～8min。關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明屬于機械切削刀具制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法。該刀具為采用中頻磁控+多弧法鍍膜方法制備的MoS
文檔編號C23C14/02GK1927579SQ20061006897
公開日2007年3月14日 申請日期2006年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者鄧建新, 趙金龍, 宋文龍 申請人:山東大學