ZrTiN-MoS<sub>2</sub>/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硬質涂層和MoS2/Ti/Zr潤滑涂層交替的疊層復合結構。該刀具綜合了ZrTiN多元硬質涂層、MoS2/Ti/Zr潤滑涂層及疊層結構的優點，既可保持涂層較高的硬度，又可降低涂層的摩擦系數，使涂層刀具的切削性能有了顯著地提高。疊層結構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
技術領域
[0001 ]本發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疊層涂層刀具及其制備工藝。
【背景技術】
[0002]根據涂層材料的性質，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。“高硬度”涂層刀具其主要優點是硬度高、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。“潤滑”涂層刀具追求的目標是低摩擦系數，典型的“潤滑”涂層材料為具有低摩擦系數的固體潤滑材料(如:MoS2、WS2、TaS2等硫化物)。當前刀具涂層的發展趨勢是: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點，復合多涂層及其相關技術的出現，既可提高涂層與基體的結合強度，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，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ZL201110214393.2)制備的ZrTiN復合涂層刀具有較高的硬度和強度、優異的抗磨損和抗腐蝕性能，但是在切削有色金屬材料時其表面摩擦系數較高，刀具使用壽命無法滿足使用需要。
[0004]層狀復合材料是近幾年發展起來的材料增強增韌新技術，這種結構是通過模仿貝殼而來，因此又叫仿生疊層復合材料。自然界中貝殼的珍珠層是一種天然的層狀結構材料，其斷裂韌性卻比普通單一均質結構高出3000倍以上。因此，通過模仿生物材料結構形式的層間設計，制備出的疊層復合涂層可以顯著提高涂層的韌性、結合強度及減摩耐磨性等綜合性能。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于克服上述現有涂層刀具技術的不足，結合多元硬質涂層、潤滑涂層、多層結構的優點，提供一種ZrTiN-MoSs/Ti/Zr疊層涂層刀具及其制備工藝。
[0006]本發明是通過以下方式實現的:
[0007]ZrTiN_MoS2/Ti/Zr疊層涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質合金、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硬質涂層和MoS2/Ti/Zr潤滑涂層交替的疊層復合結構。
[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合鍍膜方法，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，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗，經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;
[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_更質涂層3?41^11;
[0015](6)沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:關閉犯，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，偏壓調至200V，沉積溫度250?270°C，復合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層3?4min;
[0016](7)沉積ZrTiN硬質涂層:重復(5);
[0017](8)沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:重復(6);
[0018](9)重復(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(6);
[0020](11)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
[0021]與現有技術相比，本發明具有如下技術方案:
[0022]本發明所述涂層采用電弧鍍與中頻磁控濺射復合鍍膜方法制備的ZrTiN-MoS2/Ti/Zr疊層涂層刀具，涂層是多層結構，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合性能。該刀具綜合了 ZrTiN多元硬質涂層、MoS2/Ti/Zr潤滑涂層及疊層結構的優點，既可保持涂層較高的硬度，又可降低涂層的摩擦系數，使涂層刀具的切削性能有了顯著地提高。疊層結構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，疊層結構通過不同材料結構和成分組成的層間界面可以減緩涂層的過早剝落和裂紋的擴展。該涂層刀具進行切削時，由于表面MoS2/Ti/Zr涂層本身具有潤滑作用，可以減小切削時的摩擦，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。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復合涂層刀具(專利號201110214393.2)相比，表面摩擦系數降低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，可更廣泛應用于包括有色金屬在內的各種材料的切削加工。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明的軟硬復合涂層刀具的涂層結構示意圖。
[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。
【具體實施方式】
[0025]下面給出本發明的最佳實施例:
[0026]實施例一
[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硬質涂層，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:
[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，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 ；
[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，偏壓調至200V，沉積溫度250?270°C，復合沉積MoS2/Ti/Zr 3?4min;
[0034](7)沉積 ZrTiN 層:重復(5);
[0035](8)沉積 Mo S2/T i/Zr 層:重復(6);
[0036](9)重復(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(6);
[0038](11)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
[0039]實施例二
[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合鍍膜方法制備組合涂層，包括I個T i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T 1、Ti /Zr過渡層、ZrTiN硬質涂層，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:
[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，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 ；
[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，偏壓調至200V，沉積溫度250?270°C，復合沉積MoS2/Ti/Zr 3?4min;
[0047](7)沉積 ZrTiN 層:重復(5);
[0048](8)沉積 MoS2/Ti/Zr 層:重復(6);
[0049](9)重復(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(6);
[0051](11)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
【主權項】
1.ZrTiN-MoS2/Ti/Zr疊層涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質合金、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硬質涂層和MoS2/Ti/Zr潤滑涂層交替的疊層復合結構。2.如權利要求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合鍍膜方法，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.根據權利要求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，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗，經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硬質涂層3?4min; (6)沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:關閉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，偏壓調至200V，沉積溫度250?270°C，復合沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層3?4min; (7)沉積ZrTiN硬質涂層:重復(5); (8)沉積MoS2/Ti/Zr潤滑涂層:重復(6); (9)重復(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(6); (11)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
【文檔編號】C23C14/18GK105861995SQ201610417223
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】宋文龍, 鄧建新, 郭宗新, 李小冬
【申請人】濟寧學院