ZrTiN+MoS₂/Ti/Zr組合涂層刀具及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于機械制造金屬切削刀具領域，特別是涉及一種ZrTiN+MoS2/Ti/Zr組合涂層刀具及其制備工藝。其刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，涂層為多層結(jié)構(gòu)，由基體到涂層表面依次為：Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN硬質(zhì)涂層、Ti/Zr過渡層、MoS2/Ti/Zr潤滑涂層。這種組合涂層刀具綜合了ZrTiN多元硬質(zhì)涂層刀具和MoS2/Ti/Zr潤滑涂層刀具的優(yōu)點，既具有較高的硬度，又具有潤滑作用和較低的摩擦系數(shù)，使涂層刀具的性能有了顯著地提高。
【專利說明】
ZrTi N+M0S2/T i /Zr組合涂層刀具及其制備工藝
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于機械制造金屬切削刀具領域，特別是涉及一種ZrTiN+MoS2/Ti/Zr組合涂層刀具及其制備工藝。
【背景技術】
[0002]根據(jù)涂層材料的性質(zhì)，涂層刀具可分為兩大類，即:“高硬度”涂層刀具和“潤滑”涂層刀具?！案哂捕取蓖繉拥毒咂渲饕獌?yōu)點是硬度高、耐磨性能好，典型的“高硬度”涂層材料有TiN、TiCN、TiAlN和類金剛石等?！皾櫥蓖繉拥毒咦非蟮哪繕耸堑湍Σ料禂?shù)，典型的“潤滑”涂層材料為具有低摩擦系數(shù)的固體潤滑材料(如:MoS2、WS2、TaS2等硫化物)。當前刀具涂層的發(fā)展趨勢是:涂層成分趨于多元化和復合化。復合涂層可綜合單涂層的優(yōu)點，復合多涂層及其相關技術的出現(xiàn)，既可提高涂層與基體的結(jié)合強度，又兼顧多種單涂層的綜合性能，使涂層刀具的性能顯著提高。
[0003]中國專利(專利號ZL2006 I 0068975.3)報道了“自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法”，它是采用中頻磁控+多弧法鍍膜方法制備的MoS2/Zr復合涂層刀具，刀具表面為MoS2層，MoS2層與刀具基體之間具有Ti過渡層。該刀具在無切削液冷卻、潤滑的切削過程中，能夠在刀具表面能形成具有潤滑作用的潤滑膜，從而實現(xiàn)刀具自身的潤滑功能，但是這種潤滑涂層硬度較低而導致刀具涂層尤其是后刀面涂層的使用壽命不長。文獻(ActaMaterials.2011,59(1):68-74)報道了TiN硬涂層刀具切削加工時的作用機理及使用性能，但是這種硬涂層由于相對較高的摩擦系數(shù)，限制了其廣泛使用。中國專利TiN+MoS2/Zr組合涂層刀具(專利號ZL 201110081977.7)采用中頻磁控濺射與電弧鍍復合鍍膜方法制備的TiN+MoS2/Zr組合涂層刀具，但該組合涂層在干切削超硬材料時刀具使用壽命仍無法滿足實際使用需要。中國專利梯度疊層涂層刀具及其制備方法(專利號201110214393.2)制備的ZrTiN復合涂層刀具有較高的硬度和強度、優(yōu)異的抗磨損和抗腐蝕性能，但是在切削有色金屬材料時其刀肩之間的摩擦系數(shù)較高，影響刀具使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有涂層刀具技術的不足，結(jié)合多元硬質(zhì)涂層和潤滑涂層的優(yōu)點，提供一種ZrTiN+MoS2/Ti/Zr組合涂層刀具及其制備工藝。
[0005]本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的:
[0006]ZrTiN+MoS2/Ti/Zr組合涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，涂層為多層結(jié)構(gòu)，由基體到涂層表面依次為:Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN硬質(zhì)涂層、Ti/Zr過渡層、MoS2/Ti/Zr潤滑涂層。
[0007]所述ZrTiN+MoS2/Ti/Zr組合涂層刀具的制備工藝，其沉積方式為采用電弧鍍與中頻磁控濺射復合鍍膜方法，包括I個Ti靶電弧靶，I個Zr靶電弧靶，2個MoS2中頻濺射靶:電弧離子鍍沉積Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN硬質(zhì)涂層和Ti/Zr過渡層，中頻磁控濺射MoS2及電弧離子鍍Zr、Ti復合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層。
[0008]具體包括以下步驟:
[0009](I)前處理:將刀具基體表面拋光，去除表面雜質(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗，經(jīng)干燥后迅速放入鍍膜機，抽真空至8.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫30?40min;
[0010](2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓700V，占空比0.2，輝光放電清洗15min;降低偏壓至500V，開啟離子源離子清洗15min，開啟Ti革E的電弧源，偏壓300V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶Imin ；
[0011](3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓降至250V，Ti靶電流70A，沉積溫度250°C，電弧鍍Ti過渡層5?6min;
[0012](4)沉積Ti/Zr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流80A，Zr靶電流90A，電弧鍍Ti/Zr過渡層5?6min;
[0013](5)沉積ZrTiN硬質(zhì)涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流100A；開啟N2，N2氣壓為1.0Pa，沉積溫度230?250°C，電弧鍍ZrTiN硬質(zhì)涂層40?50min ；
[0014](6)沉積Ti/Zr過渡層:關閉N2，Ti靶電流70A，Zr靶電流80A，沉積5min的Ti/Zr過渡層；
[0015](7)沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流1.5A，偏壓調(diào)至200V，沉積溫度250?270°C，復合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層40?50min ；
[0016](8)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
[0017]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)異技術效果:
[0018]本發(fā)明采用電弧鍍與中頻磁控濺射復合鍍膜方法制備了ZrTiN+MoS2/Ti/Zr組合涂層刀具?；w上的Ti和Ti/Zr過渡層主要是提高組合涂層與刀具基體間的結(jié)合性能，MoS2/Ti/Zr潤滑涂層與ZrTiN涂層之間的Ti/Zr過渡層主要是減緩因涂層成分突變造成的層間應力。這種組合涂層刀具綜合了ZrTiN多元硬質(zhì)涂層刀具和MoS2/Ti/Zr潤滑涂層刀具的優(yōu)點，既具有較高的硬度，又具有潤滑作用和較低的摩擦系數(shù)，使涂層刀具的性能有了顯著地提高。用這種組合涂層刀具進行干切削時，由于表面MoS2/Ti/Zr涂層本身具有潤滑作用，可以減小刀具與切肩之間的摩擦，從而降低切削力和切削溫度；同時，ZrTiN高硬度涂層可提高MoS2/Ti/Zr潤滑涂層的整體強度，減緩由于MoS2/Ti/Zr涂層本身硬度較低而造成的刀具涂層過早磨損。比現(xiàn)有的TiN+MoS2/Zr涂層刀具(專利號ZL 201110081977.7)耐磨性提高了 20-30 %，涂層使用壽命提高了 30-40 比現(xiàn)有的ZrTiN復合涂層刀具(專利號201110214393.2)表面摩擦系數(shù)降低50%以上，減摩耐磨性提高30-40%，涂層刀具使用壽命提高35%以上，且提高了涂層刀具的使用范圍，可廣泛應用于有色金屬材料的干切削加工。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的軟硬復合涂層刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中:I為刀具基體、2為Ti過渡層、3為Ti/Zr過渡層、4為ZrTiN硬質(zhì)涂層、5為Ti/Zr過渡層、6為MoS2/Ti/Zr潤滑涂層。
【具體實施方式】
:
[0021]下面給出本發(fā)明的最佳實施例:
[0022]實施例一
[0023]一種ZrTiN+MoS2/Ti/Zr組合涂層刀具，該刀具為普通的銑刀片，其基體材料為:硬質(zhì)合金YT15。沉積方式為采用電弧鍍與中頻磁控濺射復合鍍膜方法制備組合涂層，包括I個Ti靶電弧靶，一個Zr靶電弧靶，2個MoS2中頻濺射靶:電弧離子鍍沉積T1、Ti/Zr過渡層、ZrTiN硬質(zhì)涂層和Ti/Zr過渡層，中頻磁控濺射(MoS2)及電弧離子鍍(Zr、Ti)復合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層，其制備工藝為:
[0024](I)前處理:將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各30min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風干燥充分后迅速放入鍍膜機，抽真空至8.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫30?40min ；
[0025 ] (2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓700V，占空比0.2，輝光放電清洗15min;降低偏壓至500V，開啟離子源離子清洗15min，開啟Ti革E的電弧源，偏壓300V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶Imin ；
[0026](3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓降至250V，Ti靶電流70A，沉積溫度250°C，電弧鍍Ti過渡層5?6min;
[0027](4)沉積Ti/Zr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流80A，Zr靶電流90A，電弧鍍Ti/Zr過渡層5?6min;
[0028](5)沉積ZrTiN層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流100A;開啟N2，N2氣壓為1.0Pa，沉積溫度230?250°C，電弧鍍ZrTiN 40?50min ；
[0029](6)沉積Ti/Zr過渡層:關閉N2，Ti靶電流70A，Zr靶電流80A，沉積5min的Ti/Zr過渡層；
[0030](7)沉積MoS2/Ti/Zr層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流1.5A，偏壓調(diào)至200V，沉積溫度250?270°C，復合沉積MoS2/Ti/Zr 40?50min;
[0031](8)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
[0032]實施例二
[0033]一種ZrTiN+MoS2/Ti/Zr組合涂層刀具，該刀具為普通麻花鉆，其刀具基體材料為:高速鋼W18Cr4V。沉積方式為采用電弧鍍與中頻磁控濺射復合鍍膜方法制備組合涂層，包括I個Ti靶電弧靶，一個Zr靶電弧靶，2個MoS2中頻濺射靶:電弧離子鍍沉積T1、Ti/Zr過渡層、ZrTiN硬質(zhì)涂層和Ti/Zr過渡層，中頻磁控濺射(MoS2)及電弧離子鍍(Zr、Ti)復合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層，其制備工藝為:
[0034](I)前處理:將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各30min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風干燥充分后迅速放入鍍膜機，抽真空至8.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫30?40min ；
[0035 ] (2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓700V，占空比0.2，輝光放電清洗15min;降低偏壓至500V，開啟離子源離子清洗15min，開啟Ti革E的電弧源，偏壓300V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶Imin ；
[0036](3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓降至250V，Ti靶電流70A，沉積溫度250°C，電弧鍍Ti過渡層5?6min;
[0037](4)沉積Ti/Zr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流80A，Zr靶電流90A，電弧鍍Ti/Zr過渡層5?6min;
[0038](5)沉積ZrTiN層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流100A;開啟N2，N2氣壓為1.0Pa，沉積溫度230?250°C，電弧鍍ZrTiN 40?50min ；
[0039](6)沉積Ti/Zr過渡層:關閉N2，Ti靶電流70A，Zr靶電流80A，沉積5min的Ti/Zr過渡層；
[0040](7)沉積MoS2/Ti/Zr層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流1.5A，偏壓調(diào)至200V，沉積溫度250?270°C，復合沉積MoS2/Ti/Zr 40?50min;
[0041]后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
【主權項】
1.ZrTiN+MoS2/Ti/Zr組合涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，其特征在于，涂層為多層結(jié)構(gòu)，由基體到涂層表面依次為:Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN硬質(zhì)涂層、Ti/Zr過渡層、MoS2/Ti/Zr潤滑涂層。2.如權利要求1所述ZrTiN+MoS2/Ti/Zr組合涂層刀具的制備工藝，其特征在于，沉積方式為采用電弧鍍與中頻磁控濺射復合鍍膜方法，包括I個Ti靶電弧靶，I個Zr靶電弧靶，2個MoS2中頻濺射靶:電弧離子鍍沉積Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN硬質(zhì)涂層和Ti/Zr過渡層，中頻磁控濺射MoS2及電弧離子鍍Zr、Ti復合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層。3.根據(jù)權利要求2所述ZrTiN+MoS2/Ti/Zr組合涂層刀具的制備工藝，其特征在于，具體包括以下步驟: (1)前處理:將刀具基體表面拋光，去除表面雜質(zhì)，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗，經(jīng)干燥后迅速放入鍍膜機，抽真空至8.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫30?40min; (2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓700V，占空比0.2，輝光放電清洗15min;降低偏壓至500V，開啟離子源離子清洗15min，開啟Ti革E的電弧源，偏壓300V，革巴電流50A，離子轟擊Ti革Elmin; (3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓降至250V，Ti靶電流70A，沉積溫度250°C，電弧鍍Ti過渡層5?6min; (4)沉積Ti/Zr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流80A，Zr靶電流90A，電弧鍍Ti/Zr過渡層5?6min; (5)沉積ZrTiN硬質(zhì)涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流100A;開啟N2，N2氣壓為1.0Pa，沉積溫度230?250°C，電弧鍍ZrTiN硬質(zhì)涂層40?50min; (6)沉積Ti /Zr過渡層:關閉N2，T i靶電流70A，Zr靶電流80A，沉積5min的T i /Zr過渡層； (7)沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流1.5A，偏壓調(diào)至200V，沉積溫度250?270°C，復合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層40?50min ； (8)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
【文檔編號】C23C14/32GK105861998SQ201610428786
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】宋文龍, 鄧建新, 郭宗新, 夏自祥
【申請人】濟寧學院