TiAlCrN+MoS₂/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑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TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具及其制備工藝。TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，刀具表面為MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層，MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層與TiAlCrN硬質(zhì)涂層之間有Ti/Al/Cr過渡層，TiAlCrN硬質(zhì)涂層和刀具基體之間依次有Ti/Al/Cr過渡層和Ti過渡層。其綜合了TiAlCrN多元硬質(zhì)涂層和MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層的優(yōu)點(diǎn)，既具有較高的硬度，又具有潤(rùn)滑作用和較低的摩擦系數(shù)，可顯著改善和提高涂層刀具的切削性能。
【專利說明】
TiAI CrN+MoS2/T i/AI /Cr組合潤(rùn)滑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TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑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(rùn)滑”涂層刀具。“高硬度”涂層刀具其主要優(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?rùn)滑”涂層刀具追求的目標(biāo)是低摩擦系數(shù)，典型的“潤(rùn)滑”涂層材料為具有低摩擦系數(shù)的固體潤(rùn)滑材料(如:MoS2、WS2、TaS2等硫化物)。當(dāng)前刀具涂層的發(fā)展趨勢(shì)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(guó)專利(專利號(hào)ZL2006 I 0068975.3)報(bào)道了“自潤(rùn)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/Cr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(rùn)滑的切削過程中，能夠在刀具表面能形成具有潤(rùn)滑作用的潤(rùn)滑膜，從而實(shí)現(xiàn)刀具自身的潤(rùn)滑功能，但是這種潤(rùn)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(zhǎng)。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(duì)較高的摩擦系數(shù)，限制了其廣泛使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于改善現(xiàn)有涂層刀具的綜合性能，結(jié)合多元硬質(zhì)涂層和潤(rùn)滑涂層的優(yōu)點(diǎn)，提供一種TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具及其制備工藝。
[0005]本發(fā)明是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的:
[0006]TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，刀具表面為MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層，MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層與TiAlCrN硬質(zhì)涂層之間有Ti/Al/Cr過渡層，TiAlCrN硬質(zhì)涂層和刀具基體之間依次有Ti/Al/Cr過渡層和Ti過渡層。
[0007]TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具的制備工藝，沉積方式為電弧離子鍍沉積Ti過渡層，然后電弧離子鍍+非平衡磁控濺射復(fù)合沉積Ti/Al/Cr過渡層、TiAlCrN硬質(zhì)涂層和Ti/Al/Cr過渡層，中頻磁控濺射M0S2、電弧離子鍍及非平衡磁控濺射T1、Al、Cr復(fù)合沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層。
[0008]沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層時(shí)使用兩個(gè)電弧靶:I個(gè)Ti靶，一個(gè)Al靶，I個(gè)非平衡濺射Cr靶，2個(gè)MoS2中頻濺射靶。
[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7.0 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1000V，占空比0.2，輝光放電清洗15min;降低偏壓至700V，開啟離子源離子清洗15min，開啟Ti靶的電弧源，靶電流50A，偏壓400V，離子轟擊Ti革Elmin ；
[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4?5min;
[0013]4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti電弧靶電流100A，A1靶電流80A，Cr非平衡磁控濺射靶電流為40A，電弧鍍Ti/Al/Cr過渡層5?6min;
[0014]5)沉積TiAlCrN硬質(zhì)涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流120A，A1靶電流90A，Cr靶電流50A;開啟吣，吣氣壓為1.2?&，沉積溫度250?260°(:，電弧鍍11410_更質(zhì)涂層60min；
[0015]6)沉積Ti/Al/Cr過渡層:關(guān)閉N2，Ti靶電流100A，A1靶電流80A，Cr靶電流50A，沉積Ti/Al/Cr 過渡層 5min ；
[0016]7)沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流2.0A，Ti靶電流60A，A1靶電流50A，Cr靶電流30A，偏壓調(diào)至230V，沉積溫度270?280°C，復(fù)合沉積MoS2/Ti/Al/Cr 潤(rùn)滑涂層 30 ?40min ；
[0017]8)后處理:關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下技術(shù)效果:
[0019]該刀具的涂層為TiAlCrN硬質(zhì)涂層和MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層的組合，屬于多層結(jié)構(gòu)?；w上的Ti和Ti/Al/Cr過渡層主要是提高組合潤(rùn)滑涂層與刀具基體間的結(jié)合性能，MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層與TiAlCrN硬質(zhì)涂層之間的Ti/Al/Cr過渡層主要是減緩因涂層成分突變?cè)斐傻膶娱g應(yīng)力。這種TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具綜合了 TiAlCrN多元硬質(zhì)涂層和MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層的優(yōu)點(diǎn)，既具有較高的硬度，又具有潤(rùn)滑作用和較低的摩擦系數(shù)，可顯著改善和提高涂層刀具的切削性能。用這種組合潤(rùn)滑涂層刀具進(jìn)行干切削時(shí)，由于表面MoS2/Ti/Al/Cr涂層本身具有潤(rùn)滑作用，可以減小刀具與切肩之間的摩擦，降低切削力和切削溫度15%以上，減小刀具磨損20-25%;同時(shí)，該涂層采用電弧鍍+中頻+非平衡磁控濺射復(fù)合鍍膜方法復(fù)合制備，其中的TiAlCrN高硬度涂層可提高M(jìn)oS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層的整體強(qiáng)度，減緩由于MoS2/Ti/Al/Cr涂層本身硬度較低而造成的刀具涂層過早磨損，提高刀具使用壽命30%以上。該組合潤(rùn)滑涂層刀具可廣泛應(yīng)用于材料的干切削加工。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。[0021 ]圖中:I為刀具基體、2為Ti過渡層、3為Ti/Al/Cr過渡層、4為TiAlCrN硬質(zhì)涂層、5為Ti/Al/Cr過渡層、6為MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面給出本發(fā)明的最佳實(shí)施例:
[0023]實(shí)施例1
[0024]如圖1所示，一種TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具，該刀具為普通的銑刀片，其基體材料為:硬質(zhì)合金YT15;涂層材料為:TiAlCrN和MoS2/Ti/Al/Cr;沉積方式為:電弧離子鍍沉積Ti過渡層，然后電弧離子鍍+非平衡磁控濺射復(fù)合沉積Ti/Al/Cr過渡層、TiAlCrN硬質(zhì)涂層和Ti/Al/Cr過渡層，中頻磁控濺射(MoS2)、電弧離子鍍及非平衡磁控濺射(1'^1、&)復(fù)合沉積此32/1^/^1/&潤(rùn)滑涂層(沉積時(shí)使用兩個(gè)電弧靶:1個(gè)11靶，一個(gè)八1靶，I個(gè)非平衡濺射Cr靶，2個(gè)MoS2中頻濺射靶)，其制備工藝為:
[0025](I)前處理:將YT15硬質(zhì)合金銑刀片表面拋光，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7.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫30?40min ；
[0026](2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓1000V，占空比0.2，輝光放電清洗15min;降低偏壓至700V，開啟離子源離子清洗15min，開啟Ti靶的電弧源，靶電流50A，偏壓400V，離子轟擊Ti革Elmin ；
[0027](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4?5min;
[0028](4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti電弧靶電流100A，A1靶電流80A，Cr非平衡磁控濺射靶電流為40A，電弧鍍Ti/Al/Cr過渡層5?6min;
[0029](5)沉積TiAlCrN硬質(zhì)涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流120A，A1靶電流90A，Cr靶電流50A;開啟N2，N2氣壓為I.2Pa，沉積溫度250?260 °C，電弧鍍TiAlCrN60min;
[0030](6)沉積Ti/Al/Cr過渡層:關(guān)閉N2，Ti靶電流100A，A1靶電流80A，Cr靶電流50A，沉積 Ti/Al/Cr 過渡層 5min ；
[0031 ] (7)沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流2.0A，Ti靶電流60A，A1靶電流50A，Cr靶電流30A，偏壓調(diào)至230V，沉積溫度270?280°C，復(fù)合沉積MoS2/Ti/Al/Cr 30?40min;
[0032](8)后處理:關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
[0033]實(shí)施例2
[0034]如圖1所示，一種TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具，該刀具為普通麻花鉆，其刀具基體材料為:高速鋼W18Cr4V;涂層材料為:TiAlCrN和MoS2/Ti/Al/Cr;沉積方式為:電弧離子鍍沉積Ti過渡層，然后電弧離子鍍+非平衡磁控濺射復(fù)合沉積Ti/Al/Cr過渡層、TiAlCrN硬質(zhì)涂層和Ti/Al/Cr過渡層，中頻磁控濺射(MoS2)、電弧離子鍍及非平衡磁控濺射(T1、Al、Cr)復(fù)合沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層(沉積時(shí)使用兩個(gè)電弧靶:1個(gè)Ti靶，一個(gè)Al靶，I個(gè)非平衡濺射Cr靶，2個(gè)MoS2中頻濺射靶)，其制備工藝為:
[0035](I)前處理:將麻花鉆刀具基體表面用1000號(hào)砂紙打磨，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7.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫30?40min;
[0036](2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓1000V，占空比0.2，輝光放電清洗15min;降低偏壓至700V，開啟離子源離子清洗15min，開啟Ti靶的電弧源，靶電流50A，偏壓400V，離子轟擊Ti革Elmin ；
[0037](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4?5min;
[0038](4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti電弧靶電流100A，A1靶電流80A，Cr非平衡磁控濺射靶電流為40A，電弧鍍Ti/Al/Cr過渡層5?6min;
[0039](5)沉積TiAlCrN硬質(zhì)涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流120A，A1靶電流90A，Cr靶電流50A;開啟N2，N2氣壓為I.2Pa，沉積溫度250?260 °C，電弧鍍TiAlCrN60min;
[0040](6)沉積Ti/Al/Cr過渡層:關(guān)閉N2，Ti靶電流100A，A1靶電流80A，Cr靶電流50A，沉積 Ti/Al/Cr 過渡層 5min ；
[0041 ] (7)沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流2.0A，Ti靶電流60A，A1靶電流50A，Cr靶電流30A，偏壓調(diào)至230V，沉積溫度270?280°C，復(fù)合沉積MoS2/Ti/Al/Cr 30?40min;
[0042](8)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.TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，其特征在于，刀具表面為MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層，MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層與TiAlCrN硬質(zhì)涂層之間有Ti/Al/Cr過渡層，TiAlCrN硬質(zhì)涂層和刀具基體之間依次有Ti/Al/Cr過渡層和Ti過渡層。2.如權(quán)利要求1所述TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具的制備工藝，其特征在于，沉積方式為電弧離子鍍沉積Ti過渡層，然后電弧離子鍍+非平衡磁控濺射復(fù)合沉積Ti/Al/Cr過渡層、TiAlCrN硬質(zhì)涂層和Ti/Al/Cr過渡層，中頻磁控濺射MoS2、電弧離子鍍及非平衡磁控濺射T1、A1、Cr復(fù)合沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑涂層刀具的制備工藝，其特征在于，沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層時(shí)使用兩個(gè)電弧靶:1個(gè)Ti靶，一個(gè)Al靶，I個(gè)非平衡濺射Cr靶，2個(gè)MoS2中頻濺射靶。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr組合潤(rùn)滑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7.0 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1000V，占空比0.2，輝光放電清洗15min;降低偏壓至700V，開啟離子源離子清洗15min，開啟Ti革E的電弧源，革E電流50A，偏壓400V，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4?5min; 4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti電弧靶電流100A，A1靶電流80A，Cr非平衡磁控濺射靶電流為40A，電弧鍍Ti/Al/Cr過渡層5?6min; 5)沉積TiAlCrN硬質(zhì)涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流120A，A1靶電流90A，Cr靶電流50A;開啟N2，N2氣壓為1.2Pa，沉積溫度250?260°C，電弧鍍TiAlCrN硬質(zhì)涂層60min； 6)沉積Ti/Al/Cr過渡層:關(guān)閉N2，Ti靶電流100A，A1靶電流80A，Cr靶電流50A，沉積Ti/Al/Cr 過渡層 5min; 7)沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流2.0A，Ti靶電流60A，A1靶電流50A，Cr靶電流30A，偏壓調(diào)至230V，沉積溫度270?280°C，復(fù)合沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤(rùn)滑涂層30?40min; 8)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(hào)】C23C14/06GK105925941SQ201610427737
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年6月15日
【發(fā)明人】宋文龍, 鄧建新, 王首軍, 郭宗新
【申請(qǐng)人】濟(jì)寧學(xué)院