等離子體織構(gòu)化刀具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種等離子體織構(gòu)化刀具及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳統(tǒng)的切削過程中，為了滿足加工工件表面質(zhì)量的要求以及延長(zhǎng)刀具的使用壽命，通常情況下需要不停地使用切削液對(duì)刀具進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。切削液的使用不僅需要花費(fèi)較高的成本，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。為了減少切削液的使用，研究者開始致力于研究干切削及開發(fā)新型干切削刀具來滿足干切削對(duì)刀具性能的要求。微織構(gòu)刀具是一種新型的干切削刀具，通過在刀具表面加工微納結(jié)構(gòu)，在切削時(shí)能起到捕捉存儲(chǔ)切肩、減小切削力、提高刀具使用壽命的作用。
[0003]申請(qǐng)?zhí)?01410823133.9的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)就公開了一種超硬材料刀具表面凹坑微織構(gòu)紋理的新型加工方法，采用超聲振動(dòng)-電火花-磨削復(fù)合加工平臺(tái)，并且分為多個(gè)階段進(jìn)行磨削、電火花加工、微能脈沖放電與超聲振動(dòng)，整套加工設(shè)備龐大并且復(fù)雜，加工步驟繁多，并且只能夠在刀具上獲得微米級(jí)的織構(gòu)。此外，電火花加工表面燒蝕嚴(yán)重，加工效率較低，且加工得到的微織構(gòu)尺寸精度不高，織構(gòu)截面為錐形，捕捉存儲(chǔ)切肩的空間有限，刀具的切削性能還有待進(jìn)一步的提尚。
[0004]因此，現(xiàn)有的微織構(gòu)干切削刀具制備方法存在加工困難、加工得到的微織構(gòu)尺寸不可控制且精度不高、微織構(gòu)捕捉存儲(chǔ)切肩能力較差的技術(shù)缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種等離子體織構(gòu)化刀具及其制備方法，首次將等離子體刻蝕技術(shù)應(yīng)用在刀具表面織構(gòu)的加工上，并且實(shí)現(xiàn)了刀具織構(gòu)尺寸和精度完全可控，織構(gòu)尺寸最小可以達(dá)到幾十納米。此外，采用等離子體刻蝕加工的織構(gòu)截面形貌是直溝槽，也有利于切肩的捕捉和存儲(chǔ)，其克服了【背景技術(shù)】所存在的不足。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0006]等離子體織構(gòu)化刀具，刀具的基體材料為硬質(zhì)合金，刀具前刀面的刀-肩接觸區(qū)采用等離子體刻蝕方法刻蝕形成納米尺度的織構(gòu)陣列。
[0007]一較佳實(shí)施例之中:所述納米尺度的織構(gòu)陣列圓孔直徑= 200nm，圓孔的中心距=300nm，圓孔深度=500nm。
[0008]等離子體織構(gòu)化刀具制備方法，步驟為:
[0009](I)制備掩膜板:通過濺射法在玻璃基板的表面濺射淀積氮化鉻層，在氮化鉻層的表面濺射鉻膜層，在鉻膜層的表面濺射三氧化二鉻層，然后，采用電子束光刻在鉻膜層加工納米尺度的織構(gòu)陣列；
[0010](2)刀具前處理:刀具先放入H2SO4和出02的混合溶液中恒溫水浴10-30分鐘，用去離子水沖洗并吹干;接著，放入NH4OH、H2O2、H2O的混合溶液中恒溫水浴10-30分鐘，用去離子水沖洗并吹干;接著，放入HCl、Η202、Η20的混合溶液中恒溫水浴10-30分鐘，用去離子水沖洗并吹干;接著在HF溶液中浸泡10-60秒，用去離子水沖洗并吹干;最后，刀具清洗并進(jìn)行脫水烘焙；
[0011](3)光刻圖形轉(zhuǎn)印:光刻膠均勻的涂在刀具前刀面的刀-肩接觸區(qū)，掩膜板放置于刀具前刀面上方并且玻璃基板朝上，在掩膜板上方用紫外線對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光，曝光后對(duì)光刻膠進(jìn)行后烘，之后，用顯影液對(duì)光刻膠進(jìn)行溶解，在光刻膠上形成納米尺度的織構(gòu)陣列圖形；
[0012](4)等離子體刻蝕:對(duì)照光刻膠上納米尺度的織構(gòu)陣列圖形，采用等離子體刻蝕，在刀具上刻蝕形成納米尺度的織構(gòu)陣列。
[0013]一較佳實(shí)施例之中:所述鉻膜層厚度為10nm;所述三氧化二鉻層厚度為20nmo
[0014]一較佳實(shí)施例之中:刀具前處理步驟中，刀具是放入H2SO4:H202 = 4:1混合溶液中中恒溫120°C水浴15分鐘，用去離子水沖洗5分鐘，再用氮?dú)獯蹈桑坏毒呤欠湃隢H4OH: H2O2:H2O=Iil: 5混合溶液中恒溫80°C水浴15分鐘，用去離子水沖洗5分鐘，再用氮?dú)獯蹈?刀具是放入HCl =H2O2 = H2O= 1:1:6混合溶液中恒溫80°C水浴15分鐘，用去離子水沖洗5分鐘，再用氮?dú)獯蹈?刀具是先放入50 %HF溶液中浸泡30秒，用去離子水沖洗5分鐘，再用氮?dú)獯蹈?刀具是在400°C的對(duì)流烘箱中進(jìn)行脫水烘焙。
[0015]一較佳實(shí)施例之中:光刻圖形轉(zhuǎn)印步驟中，曝光時(shí)間為12秒；后烘是在100°C的溫度條件下熱板后烘90秒；顯影時(shí)間少于一分鐘，顯影結(jié)束后，在130°C的溫度條件下堅(jiān)膜烘焙90秒。
[0016]—較佳實(shí)施例之中:等離子體刻蝕步驟中，刀具前刀面上形成納米尺度的織構(gòu)陣列圓孔直徑=200nm，圓孔的中心距=300nm，孔深=500nm。
[0017]—較佳實(shí)施例之中:等離子體刻蝕步驟中，刻蝕氣體為氯氣。
[0018]—較佳實(shí)施例之中:等離子體刻蝕步驟中，刻蝕氣體為氯氣和氬氣的混合氣體，氯氣和氬氣的氣體流量分別為8sccm和2sccm。
[0019]一較佳實(shí)施例之中:等離子體刻蝕步驟中，在室溫下采用ICP-2B進(jìn)行等離子體刻蝕，使用射頻13.56MHZ，ICP源功率為500W，偏置功率為200W，偏置電壓200V，室內(nèi)壓力控制在1.27Pa，刻蝕反應(yīng)式:WC+3Cl2=WCl4+CCl2，Co+Cl2 = CoCl2。
[0020]本技術(shù)方案與【背景技術(shù)】相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0021]刀具前刀面的刀-肩接觸區(qū)采用等離子體刻蝕方法刻蝕形成納米尺度的織構(gòu)陣列，進(jìn)行干切削時(shí)，納米織構(gòu)刀具比微米織構(gòu)刀具的抗粘結(jié)性能更好，其減少摩擦、降低切削力的作用更明顯。納米尺度的織構(gòu)陣列減小了切削過程中的刀-肩接觸長(zhǎng)度，進(jìn)而降低了切削力和切削溫度，減少切肩的粘結(jié)，提高刀具的抗粘結(jié)性能，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。同時(shí)減少了切削液帶來的環(huán)境污染，節(jié)約了生產(chǎn)成本，是未來干切削刀具發(fā)展的主要方向。
[0022]另外，等離子體刻蝕方法加工的納米尺度織構(gòu)陣列，尺寸可控，精度高，并且織構(gòu)截面是直溝槽，利于存儲(chǔ)切肩。
【附圖說明】
[0023]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0024]圖1繪示了本發(fā)明等離子體織構(gòu)化刀具的立體示意圖。
[0025]圖2繪示了圖1所示等離子體織構(gòu)化刀具的剖視示意圖。
[0026]圖3繪示了在玻璃基板上濺射氮化鉻層、鉻膜層、三氧化二鉻層的示意圖。
[0027]圖4繪示了掩膜板的示意圖。
[0028]圖5繪示了刀具上涂光刻膠的示意圖。
[0029]圖6繪示了對(duì)光刻膠進(jìn)行曝光的示意圖。
[0030]圖7繪示了對(duì)光刻膠進(jìn)行顯影的示意圖。
[0031]圖8繪示了在刀具上刻蝕出納米尺度的織構(gòu)陣列示意圖。
[0032]圖9繪示了去除光刻膠的刀具示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]請(qǐng)參照?qǐng)D1和圖2，本發(fā)明的一種等離子體織構(gòu)化刀具1，刀具1的基體材料為YG類硬質(zhì)合金(主要成分是WC+Co，即WC/Co硬質(zhì)合金)。刀具10前刀面的刀-肩接觸區(qū)采用等離子體刻蝕方法刻蝕形成納米尺度的織構(gòu)陣列20。納米尺度織構(gòu)陣列的截面是直溝槽。優(yōu)選地，所述納米尺度的織構(gòu)陣列20圓孔直徑= 200nm，圓孔的中心距= 300nm，圓孔深度=500nmo
[0034]請(qǐng)參照?qǐng)D2至圖9，上述刀具10的制備方法，包括步驟:
[0035](I)制備掩膜板:如圖3所示，通過濺射法在玻璃基板30的表面濺射淀積氮化鉻層40，在氮化鉻層40的表面濺射鉻膜層50，在鉻膜層50的表面濺射三氧化二鉻層60。優(yōu)選地，所述鉻膜層50厚度為10nm;所述三氧化二鉻層60厚度為20n