本發(fā)明涉及木材及木質(zhì)復(fù)合材料切削加工和制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種軟硬復(fù)合涂層木工刀具及其制備方法。
背景技術(shù)：
對刀具進(jìn)行涂層處理是提高刀具切削加工性能的重要途徑之一，刀具涂層可分為兩大類：硬涂層刀具和軟涂層刀具。硬涂層刀具的特點在于提高了刀具的硬度和耐磨性，軟涂層刀具的特點在于降低了刀具與切削表面的摩擦系數(shù)。如今，刀具涂層技術(shù)已廣泛應(yīng)用于金屬切削加工領(lǐng)域，應(yīng)用于木材切削加工領(lǐng)域相對較少。
在木材切削加工領(lǐng)域，刀具切削材料主要采用高速鋼和硬質(zhì)合金。相較于金工刀具，木工刀具旋轉(zhuǎn)速度高，高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致刀具切削刃口溫度增高，由于刃口溫度增高，刀具的強(qiáng)度、韌性和耐磨性會下降，刃口容易發(fā)生崩刃現(xiàn)象。其次，由于木工刀具加工對象質(zhì)地的不均勻性和各向異性，木材中含有的生物堿、有機(jī)弱酸以及人造板存在厚度方向的密度差異和膠層等都對木工刀具的化學(xué)穩(wěn)定性和耐磨性提出了更高的要求。
硬質(zhì)合金刀具由于具有極好的硬度、耐磨性、強(qiáng)度、韌性和耐熱、耐腐蝕等一系列優(yōu)良性能得到了廣泛應(yīng)用，但是其使用成本相對過高，涂層技術(shù)應(yīng)用也相對較少，主要為單一的硬涂層刀具，并且硬涂層剝落后會嚴(yán)重影響加工效率和質(zhì)量。另外，具有軟涂層的刀具廣泛應(yīng)用于金屬切削領(lǐng)域，較高的工件表面光潔度是其應(yīng)用的一個顯著特征。而隨著各種木質(zhì)復(fù)合材料的出現(xiàn)，對木材加工表面的光潔度也提出了更高的要求。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決目前以硬質(zhì)合金或高速鋼為基體的單涂層或復(fù)合涂層木工刀具存在的磨損大、涂層剝落、崩刃等問題，本發(fā)明提供一種軟硬復(fù)合涂層木工刀具及其制備方法。
為了達(dá)到上述涂層刀具的目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
本發(fā)明提供一種軟硬復(fù)合涂層木工刀具，包括刀具基體以及在該刀具基體外表面設(shè)置有刀具涂層，所述刀具涂層由內(nèi)到外依次為：cr過渡層、crn硬涂層、crcn硬涂層、crn/ws2中間緩沖層、crn過渡層、cr/ni過渡層和ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層。
作為優(yōu)選，所述刀具基體的材料為硬質(zhì)合金。
本發(fā)明還提供一種軟硬復(fù)合涂層木工刀具的制備方法，所述刀具涂層由基體到表面依次為：cr過渡層、crn/crcn硬涂層、crn/ws2中間緩沖層、crn+cr/ni過渡層、ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層，屬于多層結(jié)構(gòu)。該涂層刀具綜合了crn/crcn硬涂層的高硬度、高耐磨性，crn/ws2中間緩沖層的自潤滑性、良好的結(jié)合性能以及ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層的耐磨、化學(xué)穩(wěn)定性好、摩擦系數(shù)低的特點，使木工刀具在切削木材及木質(zhì)復(fù)合材料時表現(xiàn)出更好的切削性能。
本發(fā)明中一種軟硬復(fù)合涂層木工刀具的制備方法，該制備方法是采用多弧離子鍍法+中頻磁控濺射法共沉積的方法，其具體制備方法步驟如下：
步驟(1)、前處理：將刀具基體(1)硬質(zhì)合金機(jī)械拋光，去除表面污染層，然后依次放入酒精和丙酮中，每次超聲清洗15～20min，充分干燥后迅速放入鍍膜機(jī)真空室，真空室本底氣壓為6.0×10-3pa，加熱基體至300℃，保溫40～50min；
步驟(2)、離子清洗：通入ar氣，氣壓為1.5pa，開啟脈沖偏壓電源，電壓為800～900v，占空比0.2，輝光清洗15min，偏壓降至300～400v，占空比0.2，氣壓降至0.5pa，開啟離子源離子清洗10～15min，開啟電弧源cr靶，偏壓400v，靶電流調(diào)至60a，離子轟擊cr靶0.5min；
步驟(3)、沉積cr過渡層：調(diào)整ar氣壓至0.5pa，偏壓降至200v，電弧鍍cr過渡層6min；
步驟(4)、沉積crn/crcn硬涂層：調(diào)整ar氣壓至1.0pa，偏壓180v，cr靶的靶電流調(diào)至80a，開啟n2，氣壓1.8pa，調(diào)整n2流量至150～200sccm，鍍制crn50～55min；通入乙炔，調(diào)整乙炔流量為150～180sccm，鍍制crcn50～60min；
步驟(5)、沉積crn/ws2中間緩沖層：關(guān)閉乙炔，關(guān)閉電弧源cr靶，調(diào)整ar和n2壓力至0.1pa，基體溫度降至200℃，偏壓調(diào)至250v，開啟ws2中頻靶，靶電流為0.6a，開啟cr中頻靶，靶電流0.6a，中頻磁控濺射共沉積crn/ws260～70min；
步驟(6)、沉積crn+cr/ni過渡層：關(guān)閉ws2中頻靶和cr中頻靶，開啟電弧源cr靶，沉積crn5～7min，關(guān)閉n2，開啟ni靶，電流調(diào)至50a，鍍制cr/ni8～10min；
步驟(7)、沉積ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層：關(guān)閉電弧源cr靶，調(diào)整ar氣壓至0.8pa，開啟al2o3中頻靶，靶電流1.2a，開啟ptfe中頻靶，靶電流1.5a，沉積ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層80～100min；
步驟(8)、后處理：關(guān)閉al2o3中頻靶，ptfe中頻靶和ni靶，關(guān)閉離子源及氣體源，關(guān)閉脈沖偏壓，沉積涂層結(jié)束。
通過上述工藝制備的交錯涂層刀具，由刀具基體表面到刀具表面的涂層依次為cr過渡層、crn/crcn硬涂層、crn/ws2中間緩沖層、crn+cr/ni過渡層、ni/nano-al2o3/ptfe復(fù)合涂層。
首先，木材高速切削時，其切削速度高達(dá)80m/s，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)切削速度。由于外載荷的作用，木材與刀具之間會發(fā)生高速瞬間碰撞，發(fā)生超常規(guī)的激變，木材的變形量大、應(yīng)變速率高(可達(dá)到105-107s-1)。
其次，由于木工刀具加工對象質(zhì)地的不均勻性和各向異性(例如刨花板的斷面密度分布，膠合板的多層結(jié)構(gòu)等)，刀具受沖擊載荷較高。再次，由于木工刀具在高速切削過程中產(chǎn)生大量的切屑會增加對前刀面的磨損并且會使切削刃口產(chǎn)生大量的切削熱，此外，膠合板、纖維板等木質(zhì)復(fù)合材料中所含的膠黏劑在切削熱作用下會使切屑粘附在刀具表面而影響排屑和切削質(zhì)量。最后，木材中含有的生物堿，有機(jī)弱酸等在切削熱的作用下也會加劇對刀具表面涂層材料的腐蝕磨損。
針對木工刀具的切削特點及存在的問題，本專利所述涂層木工刀具表面采用ni/nano-al2o3/ptfe復(fù)合軟涂層，其中ptef涂層材料具有的低摩擦系數(shù)和“不粘”特性可有效降低刀具/工件以及刀具/切屑之間摩擦，從而降低刃口切削力、抑制切削溫度的上升并提高刀具的排屑性能；ptef涂層材料具有的抗酸抗堿的特性可有效降低木材中生物堿和有機(jī)弱酸對刀具刃口的腐蝕；為了最大程度發(fā)揮ptef涂層材料的上述優(yōu)勢，添加金屬ni可減小ni/nano-al2o3/ptfe復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)，進(jìn)一步減小刀具切削力，降低切削熱；添加nano-al2o3可大幅提高ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層的抗磨損性能和熱硬性，其較低的熱導(dǎo)率可減少切削熱傳遞到刀具的切削刃，防止切削刃受熱發(fā)生塑性變形而使涂層剝落。
本專利所述crn/ws2中間緩沖層具有抗沖擊載荷的作用，在高速切削過程中可有效應(yīng)對木材及木質(zhì)復(fù)合材料的不均勻性(如木材節(jié)子、人造板多層結(jié)構(gòu)、刨花板斷面密度分布)對切削刃口的沖擊，提高刀具的抗崩刃性；同時crn/ws2中間緩沖層可增強(qiáng)自身與crcn+crn硬涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度，提高不同涂層之間的結(jié)合力。
鑒于金屬切削領(lǐng)域常采用的鈦基合金材料涂層，本專利采用鉻基合金材料涂層，其優(yōu)勢在于：鉻基合金材料的涂層具有更優(yōu)異的耐化學(xué)腐性和抗氧化性，可以更有效地應(yīng)對木材中的生物堿、有機(jī)弱酸和膠黏劑；鉻基合金材料涂層具有更低的導(dǎo)熱系數(shù)，在高速切削過程中，可在工件及切屑與刀具涂層之間形成一道隔熱屏障，有效阻止切削熱傳遞到刀具，防止刀具涂層和基體的溫度升高，降低基體與涂層界面之間由于受熱膨脹而產(chǎn)生的熱變形差，減小了界面應(yīng)力集中，避免涂層從基體上剝落，從而可以減少刀具磨損，提高整個涂層的切削性能。本發(fā)明專利中，所述crcn+crn硬涂層的高硬度、高耐磨性以及良好的熱穩(wěn)定性配合ni/nano-al2o3/ptfe復(fù)合軟涂層可使所述涂層刀具表現(xiàn)出更好的切削性能并提高刀具的使用壽命。
關(guān)于本專利中過渡層的選擇，其中cr過渡層主要作用是提高涂層與刀具基體之間的結(jié)合性能；crn+cr/ni過渡層可提高crn/ws2中間緩沖層和ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層的結(jié)合強(qiáng)度，防止涂層因成分突變而剝落。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的一種軟硬復(fù)合涂層木工刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)記：1為刀具基體，2為cr過渡層，3為crn硬涂層，4為crcn硬涂層，5為crn/ws2中間緩沖層，6為crn過渡層，7為cr/ni過渡層，8為ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層。
具體實施方式
下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明：
實施例1：
參照附圖1，本發(fā)明的一種軟硬復(fù)合涂層木工刀具為木工銑刀，刀具基體材料為硬質(zhì)合金yg8n；由刀具基體到刀具表面依次為：cr過渡層、crcn+crn硬涂層、crn/ws2緩沖涂層、crn+cr/ni過渡層、ni/nano-al2o3/ptfe復(fù)合涂層。采用多弧離子鍍+中頻磁控濺射的方法制備，其具體步驟如下：
1.前處理：將刀具基體硬質(zhì)合金機(jī)械拋光，去除表面污染層，然后依次放入酒精和丙酮中，每次超聲清洗15min，充分干燥后迅速放入鍍膜機(jī)真空室，真空室本底氣壓為6.0×10-3pa，加熱基體至300℃，保溫40min；
2.離子清洗：通入ar氣，氣壓為1.5pa，開啟脈沖偏壓電源，電壓為900v，占空比0.2，輝光清洗15min，偏壓降至400v，占空比0.2，氣壓降至0.5pa，開啟離子源離子清洗10min，開啟電弧源cr靶，偏壓400v，靶電流調(diào)至60a，離子轟擊cr靶0.5min；
3.沉積cr過渡層：調(diào)整ar氣壓至0.5pa，偏壓降至200v，電弧鍍cr過渡層6min；
4.沉積crcn/crn硬涂層：調(diào)整ar氣壓至1.0pa，偏壓180v，cr靶的靶電流調(diào)至80a，開啟n2，氣壓1.8pa，調(diào)整n2流量至180sccm，鍍制crn55min；通入乙炔，調(diào)整乙炔流量為150sccm，鍍制crcn60min；
5.沉積crn/ws2中間緩沖層：關(guān)閉乙炔，關(guān)閉電弧源cr靶，調(diào)整ar和n2壓力至0.1pa，基體溫度降至200℃，偏壓調(diào)至250v，開啟ws2中頻靶，靶電流為0.6a，開啟cr中頻靶，靶電流0.6a，中頻磁控濺射共沉積crn/ws270min；
6.沉積crn+cr/ni過渡層：關(guān)閉ws2中頻靶和cr中頻靶，開啟電弧源cr靶，沉積crn5min，關(guān)閉n2，開啟ni靶，電流調(diào)至50a，鍍制cr/ni8min；
7.沉積ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層：關(guān)閉電弧源cr靶，調(diào)整ar氣壓至0.8pa，開啟al2o3中頻靶，靶電流1.2a，開啟ptfe中頻靶，靶電流1.5a，沉積ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層90min；
8.后處理：關(guān)閉al2o3中頻靶，ptfe中頻靶和ni靶，關(guān)閉離子源及氣體源，關(guān)閉脈沖偏壓，沉積涂層結(jié)束。
對照品仍然是以上述所采用的硬質(zhì)合金yg8n作為刀具基體，按通常所用的物理氣相沉積方法分別沉積crn涂層，然后用本實施例1中所制得的復(fù)合涂層刀具a和對照例x進(jìn)行車削中密度纖維板的對比實驗，并且分別對車削過程中刀具切削刃口的溫度和切削力進(jìn)行測量，兩組對比實驗切削條件同為：中密度纖維板密度為0.75g/cm3，主軸轉(zhuǎn)速n＝1600r/min，進(jìn)給量f＝0.2mm/r，工件直徑100mm。其中：切削溫度為切削刃口的最高溫度，切削力
表1：實施例1的本發(fā)明涂層刀具與對照品的對比實驗結(jié)果
由上表1可見，在刀具基體相同、切削條件相同的情況下，本發(fā)明的復(fù)合涂層刀具在車削中密度纖維板過程中的切削刃口溫度比crn單涂層刀具降低了20.6％，本發(fā)明的復(fù)合涂層刀具在車削中密度纖維板過程中的平均切削力比crn單涂層刀具降低了21.2％，本發(fā)明的復(fù)合涂層刀具在車削中密度纖維板過程中的排屑效果明顯優(yōu)于crn單涂層刀具。由此可見，發(fā)明復(fù)合涂層木工刀具的切削性能有顯著提高。
實施例2：
參照附圖1，本發(fā)明的一種軟硬復(fù)合涂層木工刀具為木工銑刀，刀具基體材料為硬質(zhì)合金yg8n；由刀具基體到刀具表面依次為：cr過渡層、crcn+crn硬涂層、crn/ws2緩沖涂層、crn+cr/ni過渡層、ni/nano-al2o3/ptfe復(fù)合涂層。采用多弧離子鍍+中頻磁控濺射的方法制備，其具體步驟如下：
1.前處理：將刀具基體硬質(zhì)合金機(jī)械拋光，去除表面污染層，然后依次放入酒精和丙酮中，每次超聲清洗18min，充分干燥后迅速放入鍍膜機(jī)真空室，真空室本底氣壓為6.0×10-3pa，加熱基體至300℃，保溫50min；
2.離子清洗：通入ar氣，氣壓為1.5pa，開啟脈沖偏壓電源，電壓為800v，占空比0.2，輝光清洗15min，偏壓降至350v，占空比0.2，氣壓降至0.5pa，開啟離子源離子清洗12min，開啟電弧源cr靶，偏壓400v，靶電流調(diào)至60a，離子轟擊cr靶0.5min；
3.沉積cr過渡層：調(diào)整ar氣壓至0.5pa，偏壓降至200v，電弧鍍cr過渡層6min；
4.沉積crcn/crn硬涂層：調(diào)整ar氣壓至1.0pa，偏壓180v，cr靶的靶電流調(diào)至80a，開啟n2，氣壓1.8pa，調(diào)整n2流量至200sccm，鍍制crn50min；通入乙炔，調(diào)整乙炔流量為180sccm，鍍制crcn50min；
5.沉積crn/ws2中間緩沖層：關(guān)閉乙炔，關(guān)閉電弧源cr靶，調(diào)整ar和n2壓力至0.1pa，基體溫度降至200℃，偏壓調(diào)至250v，開啟ws2中頻靶，靶電流為0.6a，開啟cr中頻靶，靶電流0.6a，中頻磁控濺射共沉積crn/ws260min；
6.沉積crn+cr/ni過渡層：關(guān)閉ws2中頻靶和cr中頻靶，開啟電弧源cr靶，沉積crn7min，關(guān)閉n2，開啟ni靶，電流調(diào)至50a，鍍制cr/ni10min；
7.沉積ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層：關(guān)閉電弧源cr靶，調(diào)整ar氣壓至0.8pa，開啟al2o3中頻靶，靶電流1.2a，開啟ptfe中頻靶，靶電流1.5a，沉積ni/al2o3/ptfe復(fù)合涂層90min；
8.后處理：關(guān)閉al2o3中頻靶，ptfe中頻靶和ni靶，關(guān)閉離子源及氣體源，關(guān)閉脈沖偏壓，沉積涂層結(jié)束。
對照品仍然是以上述所采用的硬質(zhì)合金yg8n作為刀具基體，按通常所用的物理氣相沉積方法分別沉積crn涂層，然后用本實施例1中所制得的復(fù)合涂層刀具a和對照例x進(jìn)行銑削纖維板的對比實驗，用本實施例1中所制得的復(fù)合涂層刀具b和對照例x進(jìn)行車削中密度纖維板的對比實驗，并且分別對車削過程中刀具切削刃口的溫度和切削力進(jìn)行測量，兩組對比實驗切削條件同為：中密度纖維板密度為0.75g/cm3，主軸轉(zhuǎn)速n＝1600r/min，進(jìn)給量f＝0.2mm/r，工件直徑100mm。其中：切削溫度為切削刃口的最高溫度，切削力
對比實驗結(jié)果如下表2所示。
表2：實施例2的本發(fā)明涂層刀具與對照品的對比實驗結(jié)果
由上表2可見，在刀具基體相同、切削條件相同的情況下，本發(fā)明的復(fù)合涂層刀具在車削中密度纖維板過程中的切削刃口溫度比crn單涂層刀具降低了23.8％，本發(fā)明的復(fù)合涂層刀具在車削中密度纖維板過程中的平均切削力比crn單涂層刀具降低了26.4％，本發(fā)明的復(fù)合涂層刀具在車削中密度纖維板過程中的排屑效果明顯優(yōu)于crn單涂層刀具。由此可見，本發(fā)明復(fù)合涂層木工刀具的切削性能有顯著提高。
上述實施例是對本發(fā)明的說明，不是對本發(fā)明的限定，任何對本發(fā)明簡單變換后的方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。