W-s-c-n自潤滑梯度涂層刀具及其制備工藝的制作方法
【專利說明】
一、技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于機械切削刀具制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種W-S-C-N自潤滑梯度涂層刀具及其制備工藝。
二、【背景技術(shù)】
[0002]WS2涂層具有非常低的摩擦系數(shù)，本身具備自潤滑性能。由于WS 2本身具有的層狀結(jié)構(gòu)，在切削過程中，可在刀-肩、刀-工接觸區(qū)形成一層WS2轉(zhuǎn)移膜，從而降低刀-肩、刀工接觸區(qū)的摩擦。但WS2涂層硬度很低，切削過程中，在高溫、高壓作用下極易磨損，限制了WS2*層在刀具方面的應(yīng)用。通過在WS 2涂層中添加C元素、N元素等合金元素，可提高WS 2涂層的硬度，提高WS2*層刀具的性能，滿足切削加工的要求。
[0003]由于涂層與基體的材料不同，材料熱膨脹系數(shù)的不同會在涂層內(nèi)部形成較大的內(nèi)應(yīng)力，從而降低涂層與基體結(jié)合力。采用梯度涂層可使涂層成分及性能沿厚度方向連續(xù)變化，改善涂層與基體的匹配性，提高涂層與基體的結(jié)合強度和涂層的摩擦磨損性能，提高涂層的斷裂韌性。
[0004]中國專利(申請?zhí)?201410263737.2)報道了 TiSiN_WS2/Zr_WS2*層刀具及其制備工藝，該專利綜合了 TiSiN高硬度、高耐磨性和WS2涂層低摩擦系數(shù)，改善了刀具干切削性能，但由于WS2/Zr涂層Zr元素含量高，降低了涂層的自潤滑性能。文獻[Surface andCoatings Technology.2015, 261:7-14]報道了 W-S-N涂層的制備及摩擦性能，但是這種涂層硬度最高為9GPa，涂層硬度仍較低，限制了其廣泛應(yīng)用。文獻[Plasma Process andPolymers.2009，6:417-424]報道了 W_S_C涂層的制備及摩擦性能，但是這種涂層在溫度高于400°C會很快磨損，較難滿足干切削加工的要求。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種W-S-C-N自潤滑梯度涂層刀具及其制備工藝，該涂層刀具綜合了在WS2涂層中添加合金元素C元素和N元素提高刀具涂層硬度的方法，涂層刀具的硬度得到較大提高，涂層刀具的切削性能得到改善。且W-S-C-N梯度層中N元素含量沿涂層厚度方向逐漸變化，降低了涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高了涂層與基體的結(jié)合強度。
[0006]本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的。
[0007]一種W-S-C-N自潤滑梯度涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，刀具表面為W-S-C-N梯度涂層，W-S-C-N梯度涂層與刀具基體之間為Ti過渡層。
[0008]一種W-S-C-N自潤滑梯度涂層刀具制備工藝，沉積方式為電弧離子鍍沉積Ti過渡層+中頻磁控濺射沉積W-S-C-N梯度涂層，其具體工藝步驟為:
[0009](I)制備W-S-C復(fù)合靶:用數(shù)控加工方法在直徑為101.6mm、厚度為4.7mm的C靶濺射區(qū)域中心位置均布加工10?15個沿圓周分布的盲孔，盲孔的直徑小于濺射區(qū)域的寬度，盲孔的深度為3_，在盲孔內(nèi)分別放入與盲孔直徑相同、厚度為5_的WS2圓片和C圓片；
[0010](2)安裝W-S-C復(fù)合靶:在鍍膜機中頻磁控濺射靶安裝位置安裝2個W-S-C復(fù)合靶；
[0011](3)前處理:將刀具基體表面拋光至鏡面，去除表面污物，然后依次分別放入酒精和丙酮中，超聲清洗各15?20min，去除刀具表面的油污和其他污物，電吹風干燥充分后迅速放入鍍膜機真空室，抽真空至7.0X 10_3Pa，加熱至100?250°C，保溫30?40min ；
[0012](4)離子清洗:通Ar氣，氣壓為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓為800V，占空比為0.2，輝光清洗15min ;偏壓降至400V，開啟離子源，開啟電弧源Ti靶，電流調(diào)至65A，離子清洗
2?3min ；
[0013](5)沉積Ti過渡層:調(diào)整Kr氣壓為0.5?0.6Pa，偏壓降至200?300V，電弧鍍Ti 3 ?5min ；
[0014](6)沉積W-S-C-N梯度層:調(diào)整工作氣壓為0.6?1.0Pa,開啟N2,調(diào)整N2初始流量為 2 ?9sccm，N2流量時間變化間隔為 5min、lOmin、15min、20min、25min、30min、35min，每個時間間隔隊流量增加2?9sccm，N2流量最終增加至14?63sccm ;開啟Ar氣，Ar氣流量為60?70SCCm ;開啟2個中頻磁控濺射W-S-C復(fù)合靶，W-S-C復(fù)合靶電流為I?2A，偏壓調(diào)至100V，每隔28min調(diào)整偏壓依次為100V、75V、50V、75V、100V，沉積W-S-C-N梯度層140min ；
[0015](7)后處理:關(guān)閉2個W-S-C復(fù)合靶，關(guān)閉離子源及氣體源，關(guān)閉脈沖偏壓，沉積涂層結(jié)束。
[0016]通過調(diào)整W-S-C復(fù)合靶中C圓片的數(shù)量和調(diào)整通入N2流量來調(diào)整W-S-C-N梯度涂層中C元素含量原子百分比、N元素含量原子百分比，使W-S-C-N梯度涂層中C元素含量最佳原子百分比在10?45%之間，N元素含量最佳原子百分比在5?45%之間。
[0017]通過上述工藝制備的W-S-C-N自潤滑梯度涂層刀具，刀具表面為W-S-C-N梯度層，W-S-C-N梯度層與刀具基體之間具有Ti過渡層，可減小殘余應(yīng)力，提高涂層與基體間的結(jié)合強度。W-S-C-N自潤滑梯度涂層刀具硬度的提高是通過以下方式實現(xiàn)的:(I)C元素的加入使WS^ae格發(fā)生畸變，產(chǎn)生固溶強化；(2) N元素的加入使WS 2晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生固溶強化；⑶C元素的加入能與WS2中的W元素形成WC硬質(zhì)和金相；(4) C元素、N元素之間能在涂層沉積過程中形成共價鍵。W-S-C-N自潤滑梯度涂層刀具增韌機理為:將W-S-C-N層設(shè)計為梯度結(jié)構(gòu)，N元素含量沿涂層厚度方向線性變化，在W-S-C-N梯度涂層最外子層N元素含量達到最大值，涂層硬度達到最大值;W-S-C-N梯度涂層內(nèi)部硬度雖略有下降，但具有較強的斷裂韌性，同時W-S-C-N涂層的梯度設(shè)計減少了 W-S-C-N梯度層與過渡層之間的組分差異，提高了涂層與基體的結(jié)合力。
[0018]W-S-C-N自潤滑梯度涂層刀具在切削過程中可在刀-肩、刀-工接觸區(qū)形成WS2R移膜，可降低切削力和切削溫度，減少粘結(jié)，減小刀具磨損，提高刀具使用壽命。W-S-C-N自潤滑梯度涂層刀具具有較高的硬度、較低的摩擦系數(shù)，涂層的斷裂韌性較高，涂層與基體的結(jié)合力較大，可廣泛應(yīng)用于干切削和難加工材料的切削加工。
四、【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的W-S-C-N自潤滑梯度涂層刀具的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖中:I為W-S-C-N梯度層I子層，2為W-S-C-N梯度層2子層，3為W-S-C-N梯度層3子層，4為W-S-C-N梯度層4子層，5為W-S-C-N梯度層5子層，6為W-S-C-N梯度層6子層，7為W-S-C-N梯度層7子層，I?7總稱為W-S-C-N梯度層，8為Ti層，9為刀具基體。
[0021]圖2為本發(fā)明的W-S-C復(fù)合靶的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖中:10為WS2圓片，11為C靶，12為C圓片。
五、【具體實施方式】
[0023]下面給出本發(fā)明的兩個最佳實施例:
[0024]實施例一:
[0025]W-S-C-N自潤滑梯度涂層刀具及其制備工藝，該刀具基體9材料為YT15硬質(zhì)合金車刀，刀具表面為W-S-C-N梯度涂層，W-S-C-N梯度涂層與刀具基體之間為Ti層8。沉積方式為:電弧離子鍍沉積Ti過渡層+中頻磁控濺射沉積W-S-C-N梯度涂層。其制備工藝步驟如下:
[0026](I)制備W-S-C復(fù)合靶:用數(shù)控加工方法在直徑為101.6mm、厚度為4.7mm的C靶11派射區(qū)域中心位置均布加工10?15個沿圓周分布的盲孔，盲孔的直徑為17mm，盲孔的深度為3臟，在盲孔內(nèi)分別放入一定數(shù)量、直徑為17mm、厚度為5mm的胃^圓片10和C圓片12 ；
[0027](2)安裝W-S-C復(fù)合靶:在鍍膜機中頻磁控濺射靶安裝位置安裝2個W-S-C復(fù)合靶；
[0028](3)前處理:將YT15硬質(zhì)合金車刀基體表面拋光至鏡面，去除表面污物，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各15min，去除刀具表面的油污和其他污物，電吹風干燥充分后迅速放入鍍膜機真空室，抽真空至7.0X 10_3Pa，加熱至200°C，保溫30min ；
[0029](4)離子清洗:通Ar氣，氣壓為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓為800V，占空比為0.2，輝光清洗15min ;偏壓降至400V，開啟離子源，開啟電弧源Ti靶，電流調(diào)至