ZrTiN-MoS₂/Ti/Zr疊層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(jī)械制造金屬切削刀具領(lǐng)域，特別是涉及一種ZrTiN?MoS2/Ti/Zr疊層涂層刀具及其制備工藝。其刀具基體材料為高速鋼、硬質(zhì)合金、立方氮化硼或金剛石，刀具表面為MoS2/Ti/Zr潤滑涂層，且由基體到涂層表面依次為Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN硬質(zhì)涂層和MoS2/Ti/Zr潤滑涂層交替的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)。該刀具綜合了ZrTiN多元硬質(zhì)涂層、MoS2/Ti/Zr潤滑涂層及疊層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，既可保持涂層較高的硬度，又可降低涂層的摩擦系數(shù)，使涂層刀具的切削性能有了顯著地提高。疊層結(jié)構(gòu)可使涂層刀具在涂層使用壽命周期中始終保持良好的減摩潤滑性，延長潤滑涂層的使用周期。
【專利說明】
ZrTi N-M0S2/T i /Zr疊層涂層刀具及其制備工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于機(jī)械制造金屬切削刀具領(lǐng)域，特別是涉及一種ZrTiN-MoS2/Ti/Zr疊層涂層刀具及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[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(diǎn)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?biāo)是低摩擦系數(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(dāng)前刀具涂層的發(fā)展趨勢是:涂層成分趨于多元化和復(fù)合化。復(fù)合涂層可綜合單涂層的優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合多涂層及其相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，既可提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)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(bào)道了“自潤滑復(fù)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(fù)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(shí)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(dǎo)致刀具涂層尤其是后刀面涂層的使用壽命不長。文獻(xiàn)(ActaMaterials.2011,59(1):68-74)報(bào)道了TiN硬涂層刀具切削加工時(shí)的作用機(jī)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ZL201110081977.7)采用中頻磁控濺射與電弧鍍復(fù)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(shí)刀具使用壽命仍無法滿足實(shí)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ZL201110214393.2)制備的ZrTiN復(fù)合涂層刀具有較高的硬度和強(qiáng)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(shí)其表面摩擦系數(shù)較高，刀具使用壽命無法滿足使用需要。
[0004]層狀復(fù)合材料是近幾年發(fā)展起來的材料增強(qiáng)增韌新技術(shù)，這種結(jié)構(gòu)是通過模仿貝殼而來，因此又叫仿生疊層復(fù)合材料。自然界中貝殼的珍珠層是一種天然的層狀結(jié)構(gòu)材料，其斷裂韌性卻比普通單一均質(zhì)結(jié)構(gòu)高出3000倍以上。因此，通過模仿生物材料結(jié)構(gòu)形式的層間設(shè)計(jì)，制備出的疊層復(fù)合涂層可以顯著提高涂層的韌性、結(jié)合強(qiáng)度及減摩耐磨性等綜合性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有涂層刀具技術(shù)的不足，結(jié)合多元硬質(zhì)涂層、潤滑涂層、多層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，提供一種ZrTiN-MoSs/Ti/Zr疊層涂層刀具及其制備工藝。
[0006]本發(fā)明是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的:
[0007]ZrTiN_MoS2/Ti/Zr疊層涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質(zhì)合金、立方氮化硼或金剛石，刀具表面為MoS2/Ti/Zr潤滑涂層，且由基體到涂層表面依次為Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN硬質(zhì)涂層和MoS2/Ti/Zr潤滑涂層交替的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0008]所述ZrTiN-MoS2/Ti/Zr疊層涂層刀具的制備方法，其沉積方式為采用電弧鍍與中頻磁控濺射復(fù)合鍍膜方法，包括I個(gè)Ti靶電弧靶，一個(gè)Zr靶電弧靶，2個(gè)MoS2中頻濺射靶:電弧離子鍍沉積Ti過渡層、Ti/Zr過渡層各5-6min，然后交替沉積厚度為30?40nm的ZrTiN硬質(zhì)涂層(電弧離子鍍)和厚度為10?20nm的MoS2/Ti/Zr潤滑涂層(中頻磁控濺射+電弧離子鍍)，最后表面為MoS2/Ti/Zr潤滑涂層。
[0009]具體包括以下步驟:
[0010](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(jī)，抽真空至8.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫30?40min;
[0011](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 ；
[0012](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;
[0013](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;
[0014](5)沉積ZrTiN硬質(zhì)涂層:開啟N2，Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流100A，N2氣壓為1.0?&，沉積溫度230?250°(:，電弧鍍2^丨_更質(zhì)涂層3?41^11;
[0015](6)沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:關(guān)閉犯，1^靶電流6(^，24巴電流8(^，開啟1032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(fù)合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層3?4min;
[0016](7)沉積ZrTiN硬質(zhì)涂層:重復(fù)(5);
[0017](8)沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:重復(fù)(6);
[0018](9)重復(fù)(5)、(6)、(5).":交替沉積211^、]?052/11/^"辦1^涂層共1001^11;
[0019](10)沉積表層MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:重復(fù)(6);
[0020](11)后處理:關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下技術(shù)方案:
[0022]本發(fā)明所述涂層采用電弧鍍與中頻磁控濺射復(fù)合鍍膜方法制備的ZrTiN-MoS2/Ti/Zr疊層涂層刀具，涂層是多層結(jié)構(gòu)，其中基體上的Ti過渡層和Ti/Zr過渡層主要是提高涂層與刀具基體間的結(jié)合性能。該刀具綜合了 ZrTiN多元硬質(zhì)涂層、MoS2/Ti/Zr潤滑涂層及疊層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，既可保持涂層較高的硬度，又可降低涂層的摩擦系數(shù)，使涂層刀具的切削性能有了顯著地提高。疊層結(jié)構(gòu)可使涂層刀具在涂層使用壽命周期中始終保持良好的減摩潤滑性，延長潤滑涂層的使用周期。另外，疊層結(jié)構(gòu)通過不同材料結(jié)構(gòu)和成分組成的層間界面可以減緩?fù)繉拥倪^早剝落和裂紋的擴(kuò)展。該涂層刀具進(jìn)行切削時(shí)，由于表面MoS2/Ti/Zr涂層本身具有潤滑作用，可以減小切削時(shí)的摩擦，降低切削力和切削溫度；同時(shí)，ZrTiN高硬度涂層可提高M(jìn)oS2/Ti/Zr潤滑涂層的整體強(qiáng)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。與TiN+MoS2/Zr涂層刀具(專利號ZL 201110081977.7)相比，耐磨性提高了15-25%，涂層刀具使用壽命提高了20-35%;與ZrTiN復(fù)合涂層刀具(專利號201110214393.2)相比，表面摩擦系數(shù)降低35-40%，減摩耐磨性提高25-30%，涂層刀具使用壽命提高25%以上，且提高了涂層刀具的使用范圍，可更廣泛應(yīng)用于包括有色金屬在內(nèi)的各種材料的切削加工。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的軟硬復(fù)合涂層刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]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MoS2/Ti/Zr潤滑涂層、6為ZrTiN與MoS2/Ti/Zr交替的涂層。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面給出本發(fā)明的最佳實(shí)施例:
[0026]實(shí)施例一
[0027]一種ZrTiN_MoS2/Ti/Zr疊層涂層刀具，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(fù)合鍍膜方法制備組合涂層，包括I個(gè)Ti靶電弧靶，一個(gè)Zr靶電弧靶，2個(gè)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，中頻磁控濺射(MoS2)及電弧離子鍍(Zr、Ti)復(fù)合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層，其制備工藝為:
[0028](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(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)，抽真空至8.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫30?40min ；
[0029 ] (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 ；
[0030](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;
[0031](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;
[0032](5)沉積ZrTiN層:開啟N2，Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流100A，N2氣壓為1.0?3，沉積溫度230?250°(:，電弧鍍2^丨~ 3?4min;
[0033](6)沉積MoS2/Ti/Zr層:關(guān)閉N2，Ti靶電流60A，Zr靶電流80A，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(fù)合沉積MoS2/Ti/Zr 3?4min;
[0034](7)沉積 ZrTiN 層:重復(fù)(5);
[0035](8)沉積 Mo S2/T i/Zr 層:重復(fù)(6);
[0036](9)重復(fù)(5)、(6)、(5).":交替沉積211^、]?052/11/^."211^涂層共1001^11;
[0037](1)沉積表層MoS2/Ti/Zr層:重復(fù)(6);
[0038](11)后處理:關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
[0039]實(shí)施例二
[0040]一種ZrTiN-MoS2/Ti/Zr疊層涂層刀具，該刀具為普通麻花鉆，其刀具基體材料為:高速鋼W18Cr4V。其沉積方式為采用電弧鍍與中頻磁控濺射復(fù)合鍍膜方法制備組合涂層，包括I個(gè)T i靶電弧靶，一個(gè)Zr靶電弧靶，2個(gè)MoS2中頻濺射靶:電弧離子鍍沉積T 1、Ti /Zr過渡層、ZrTiN硬質(zhì)涂層，中頻磁控濺射(MoS2)及電弧離子鍍(Zr、Ti)復(fù)合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層，其制備工藝為:
[0041 ] (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(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)，抽真空至8.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫30?40min ；
[0042 ] (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 ；
[0043](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;
[0044](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;
[0045](5)沉積ZrTiN層:開啟N2，Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流100A，N2氣壓為1.0?3，沉積溫度230?250°(:，電弧鍍2^丨~ 3?4min;
[0046](6)沉積MoS2/Ti/Zr層:關(guān)閉N2，Ti靶電流60A，Zr靶電流80A，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(fù)合沉積MoS2/Ti/Zr 3?4min;
[0047](7)沉積 ZrTiN 層:重復(fù)(5);
[0048](8)沉積 MoS2/Ti/Zr 層:重復(fù)(6);
[0049](9)重復(fù)(5)、(6)、(5).":交替沉積211^、]?052/11/^."2^^涂層共1001^11;
[0050 ] (1)沉積表層Mo S2/T i /Zr 層:重復(fù)(6);
[0051](11)后處理:關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.ZrTiN-MoS2/Ti/Zr疊層涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質(zhì)合金、立方氮化硼或金剛石，其特征在于，刀具表面為MoS2/Ti/Zr潤滑涂層，且由基體到涂層表面依次為Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN硬質(zhì)涂層和MoS2/Ti/Zr潤滑涂層交替的疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)。2.如權(quán)利要求1所述ZrTiN-MoS2/Ti/Zr疊層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(fù)合鍍膜方法，包括I個(gè)Ti靶電弧靶，一個(gè)Zr靶電弧靶，2個(gè)MoS2中頻濺射靶:電弧離子鍍沉積Ti過渡層、Ti/Zr過渡層各5-6min，然后交替沉積厚度為30?40nm的ZrTiN硬質(zhì)涂層和厚度為10?20nm的MoS2/Ti/Zr潤滑涂層，最后表面為MoS2/Ti/Zr潤滑涂層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的ZrTiN-MoS2/Ti/Zr疊層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(jī)，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:開啟N2，Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流100A，N2氣壓為l.0Pa，沉積溫度230?250°C，電弧鍍ZrTiN硬質(zhì)涂層3?4min; (6)沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:關(guān)閉N2，Ti靶電流60A，Zr靶電流80A，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(fù)合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層3?4min; (7)沉積ZrTiN硬質(zhì)涂層:重復(fù)(5); (8)沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:重復(fù)(6); (9)重復(fù)(5)、(6)、(5)...:交替沉積ZrTiN、MoS2/Ti/Zr...ZrTiN涂層共10min; (10)沉積表層MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:重復(fù)(6); (11)后處理:關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
【文檔編號】C23C14/18GK105861995SQ201610417223
【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, 李小冬
【申請人】濟(jì)寧學(xué)院