ZrTiN/MoS₂復(fù)合減摩耐磨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復(fù)合減摩耐磨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、陶瓷或立方氮化硼，由基體到涂層表面依次為：Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層。本發(fā)明通過調(diào)控ZrTiN多元硬質(zhì)涂層中MoS2的含量，使復(fù)合涂層既具有硬質(zhì)涂層較高的硬度，又具有MoS2較低的摩擦系數(shù)，且可以使涂層在整個生命周期里保持良好的潤滑性能，顯著提高了涂層刀具的綜合性能。
【專利說明】
ZrTi N/M0S2復(fù)合減摩耐磨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復(fù)合減摩耐磨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)報道了TiN硬涂層刀具切削加工時的作用機(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(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其摩擦系數(shù)較高，刀具使用壽命有待進(jìn)一步提高。

【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(shù)的不足，結(jié)合多元硬質(zhì)涂層和潤滑涂層的優(yōu)點(diǎn)，提供一種ZrTiN/MoS2復(fù)合減摩耐磨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復(fù)合減摩耐磨涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷或立方氮化硼，由基體到涂層表面依次為:Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層。
[0007]所述ZrTiN/MoS2復(fù)合減摩耐磨涂層刀具的制備方法，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Ti靶電弧靶，一個Zr靶電弧靶，2個MoS2磁控濺射靶:電弧離子鍍沉積Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、電弧離子鍍沉積ZrTiN和磁控濺射MoS2復(fù)合涂層。
[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(jī)，抽真空至7.0?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10?15min，開啟Ti革E的電弧源，偏壓280?300V，革E電流50A，離子轟擊Ti革E2?4min;
[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10?12min;
[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10?15min;
[0013](5)沉積ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓210?220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流100A;開啟吣，犯氣壓為1.0?&，沉積溫度240?250°(:;開啟1032靶磁控濺射電源，電流0.9?I.0A，沉積ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層100?120min ；
[0014](6)后處理:關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)異技術(shù)效果:
[0016]本發(fā)明采用電弧鍍與磁控濺射復(fù)合鍍膜方法制備了ZrTiN/MoS2復(fù)合涂層刀具，涂層是多層結(jié)構(gòu)，其中基體上的Ti過渡層和Ti/Zr過渡層主要是提高組合涂層與刀具基體間的結(jié)合性能，減緩因涂層成分突變造成的層間應(yīng)力。通過調(diào)控ZrTiN多元硬質(zhì)涂層中MoS2的含量，使復(fù)合涂層既具有硬質(zhì)涂層較高的硬度，又具有MoS2較低的摩擦系數(shù)，且可以使涂層在整個生命周期里保持良好的潤滑性能，顯著提高了涂層刀具的綜合性能。使用該涂層刀具進(jìn)行切削時，可以減小刀具與切肩之間的摩擦，改善刀具的摩擦磨損性能，降低切削力和切削溫度，與TiN+MoS2/Zr涂層刀具(專利號ZL 201110081977.7)相比，耐磨性提高了20-25%，涂層刀具使用壽命提高了15-25%;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30-35%，減摩耐磨性提高20-25%，涂層刀具使用壽命提高30%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)的各種難加工材料的切削加工。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明的ZrTiN/MoS2復(fù)合減摩耐磨的涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖中:I為刀具基體、2為Ti過渡層、3為Ti/Zr過渡層、4為ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層。
【具體實施方式】
[0019]下面給出本發(fā)明的最佳實施例:
[0020]實施例一
[0021 ] 一種ZrTiN/MoS2復(fù)合減摩耐磨涂層刀具，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磁控濺射復(fù)合鍍膜方法制備的復(fù)合涂層，包括I個Ti靶電弧靶，一個Zr靶電弧靶，2個MoS2磁控濺射靶:電弧離子鍍沉積Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN(電弧離子鍍)和MoS2復(fù)合涂層(磁控濺射)，其制備工藝為:
[0022](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7.0?8.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫30?40min ；
[0023 ] (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10?15min，開啟Ti革E的電弧源，偏壓280?300V，革E電流50A，離子轟擊Ti革E2?4min;
[0024](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10?12min;
[0025](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10?15min;
[0026](5)沉積ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓210?220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流100A;開啟吣，犯氣壓為1.0?&，沉積溫度240?250°(:;開啟1032靶磁控濺射電源，電流0.9?I.0A，沉積ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層100?120min ；
[0027](6)后處理:關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
[0028]實施例二
[0029]一種ZrTiN/MoS2復(fù)合減摩耐磨涂層刀具，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磁控濺射復(fù)合鍍膜方法制備的復(fù)合涂層，包括I個Ti靶電弧靶，一個Zr靶電弧靶，2個MoS2磁控濺射靶:電弧離子鍍沉積Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN(電弧離子鍍)和MoS2復(fù)合涂層(磁控濺射)，其制備工藝為:
[0030](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7.0?8.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫30?40min ；
[0031](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10?15min，開啟Ti革E的電弧源，偏壓280?300V，革E電流50A，離子轟擊Ti革E2?4min;
[0032](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10?12min;
[0033](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10?15min;
[0034](5)沉積ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓210?220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流100A;開啟吣，犯氣壓為1.0?&，沉積溫度240?250°(:;開啟1032靶磁控濺射電源，電流0.9?I.0A，沉積ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層100?120min ；
[0035](6)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】
1.ZrTiN/MoS2復(fù)合減摩耐磨涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷或立方氮化硼，其特征在于，由基體到涂層表面依次為:Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層。2.如權(quán)利要求1所述ZrTiN/MoS2復(fù)合減摩耐磨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Ti靶電弧靶，一個Zr靶電弧靶，2個MoS2磁控濺射靶:電弧離子鍍沉積Ti過渡層、Ti/Zr過渡層、電弧離子鍍沉積ZrTiN和磁控濺射MoS2復(fù)合涂層。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述ZrTiN/MoS2復(fù)合減摩耐磨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?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10?15min，開啟Ti革E的電弧源，偏壓280?300V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶2?4min ； (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10?12min; (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10?15min; (5)沉積ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓210?220V，Ti靶的靶電流80A，Zr靶電流10A;開啟N2，N2氣壓為1.0Pa，沉積溫度240?250°C ；開啟MoS2靶磁控濺射電源，電流.0.9?1.0A，沉積ZrTiN和MoS2的復(fù)合涂層100?120min ； (6)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】C23C14/18GK105887025SQ201610430338
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月15日
【發(fā)明人】宋文龍, 鄧建新, 郭宗新, 張璇
【申請人】濟(jì)寧學(xué)院