TiAlCrN&MoS<sub>2</sub>/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑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TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑涂層刀具及其制備工藝。該刀具基體材料為高速鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石或立方氮化硼，刀具表面為MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層，且由基體到涂層表面依次為Ti過渡層、Ti/Al/Cr過渡層、TiAlCrN硬質涂層與MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層交替的疊層結構涂層。其綜合了多元硬質涂層、潤滑涂層、疊層結構及三種涂層制備方法的優點，既具有較高的硬度，又具有潤滑作用和較低的摩擦系數，使涂層刀具的性能有了顯著地提高。
【專利說明】TiAICrN &M0S2/T i /AI /Cr多元疊層潤滑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TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑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/Cr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。中國專利梯度疊層涂層刀具及其制備方法(專利號201110214393.2)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摩擦系數較高，刀具使用壽命有待進一步提高。中國專利TiN+MoS2/Zr組合涂層刀具(專利號ZL 201110081977.7)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。
[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]發明的目的在于改善現有涂層刀具的綜合性能，結合多元硬質涂層和潤滑涂層的優點，提供一種TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑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]TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石或立方氮化硼，刀具表面為MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層，且由基體到涂層表面依次為Ti過渡層、Ti/Al/Cr過渡層、TiAlCrN硬質涂層與MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層交替的疊層結構涂層。
[0008]所述TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑涂層刀具的制備工藝，其沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍+中頻磁控濺射的復合鍍膜方法，沉積時使用兩個非平衡磁控濺射靶:1個Ti靶，I個Al靶，I個電弧Cr靶，2個MoS2中頻濺射靶。
[0009]首先采用非平衡磁控濺射沉積Ti過渡層，其次采用非平衡磁控濺射+電弧離子鍍復合沉積Ti/Al/Cr過渡層，然后交替沉積TiAlCrN硬質涂層與MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層交替的疊層結構涂層，最后表面為MoS2/Ti/Al/Cr復合潤滑涂層。
[0010]具體包括以下步驟:
[0011 ] (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7.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫35?40min;
[0012](2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓900V，占空比0.3，輝光放電清洗20min;降低偏壓至700V，開啟離子源離子清洗lOmin，開啟Ti靶的非平衡磁控濺射靶電源，靶電流30A，偏壓400V，離子轟擊Ti靶I?2min;
[0013](3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓降至250V，Ti靶電流35A，沉積溫度2500C，非平衡磁控濺射Ti過渡層8?1min;
[0014](4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流40A，非平衡磁控濺射Al靶電流30A，電弧Cr靶電流為40A，復合沉積Ti/Al/Cr過渡層5?6min;
[0015](5)沉積TiAlCrN硬質涂層:開啟N2，N2氣壓為1.5Pa，Ar氣壓0.5Pa，偏壓200V，Ti靶的靶電流50A，A1靶電流40A，Cr靶電流50A;沉積溫度260?280°C，復合沉積TiAlCrN硬質涂層4?5min;
[0016](6)沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層:關閉N2，開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流2.3六，11靶電流4(^，41靶電流354，0靶電流4(^，偏壓調至230￥，沉積溫度240?250°(:，復合沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層4?5min;
[0017](7)沉積TiAlCrN硬質涂層:重復(5);
[0018](8)沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層:重復(6);
[0019](9)重復(5)、(6)、(5)...:交替沉積TiAlCrN、MoS2/Ti/Al/Cr...TiAlCrN涂層共 120min;
[0020](10)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，本發明具有如下優異技術效果:
[0022]本發明采用非平衡磁控濺射+電弧鍍+中頻磁控濺射三種沉積方式復合的鍍膜方法制備了 TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑涂層刀具。該刀具綜合了多元硬質涂層、潤滑涂層、疊層結構及三種涂層制備方法的優點，既具有較高的硬度，又具有潤滑作用和較低的摩擦系數，使涂層刀具的性能有了顯著地提高。基體上的Ti過渡層和Ti/Al/Cr過渡層主要作用是減緩因涂層成分突變造成的層間應力，提高多元疊層潤滑涂層與刀具基體間的結合性能。同時，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，并且保持多元硬質涂層優異的抗磨損及高硬度的特點，顯著提高了現有多元及復合潤滑涂層刀具的切削性能。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。用這種多元疊層潤滑涂層刀具進行干切削時，由于表面MoS2/Ti/Al/Cr涂層本身具有潤滑作用，可以減小刀具與切肩之間的摩擦;且通過采用三種制備方法復合制備的TiAlCrN高硬度涂層可提高MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層的整體強度，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。用這種多元疊層潤滑涂層刀具進行干切削時，與TiN+MoS2/Zr涂層刀具(專利號ZL201110081977.7)相比，耐磨性提高了 30-40%，涂層刀具使用壽命提高了 30%以上；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30-35%，切削力和切削溫度降低25-30%，涂層刀具使用壽命提高30-40%，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干切削加工及綠色切削加工。
【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/Al/Cr過渡層、4為TiAlCrN硬質涂層、5為MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層、6為TiAlCrN與MoS2/Ti/Al/Cr交替的疊層結構涂層。
【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TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑涂層刀具，該刀具為普通的銑刀片，其基體材料為:硬質合金YT15。沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍+中頻磁控濺射的復合鍍膜方法，沉積時使用兩個非平衡磁控濺射靶:I個Ti靶，I個Al靶，I個電弧Cr靶，2個MoS2中頻濺射靶。首先采用非平衡磁控濺射沉積Ti過渡層，其次采用非平衡磁控濺射+電弧離子鍍復合沉積Ti/Al/Cr過渡層，然后交替沉積TiAlCrN與MoS2/Ti/Al/Cr的多元疊層涂層，最后表面為MoS2/Ti/Al/Cr復合潤滑涂層。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35min，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7.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫35?40min ；
[0029 ] (2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓900V，占空比0.3，輝光放電清洗20min;降低偏壓至700V，開啟離子源離子清洗lOmin，開啟Ti靶的非平衡磁控濺射靶電源，靶電流30A，偏壓400V，離子轟擊Ti靶I?2min;
[0030](3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓降至250V，Ti靶電流35A，沉積溫度2500C，非平衡磁控濺射Ti過渡層8?1min;
[0031](4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流40A，非平衡磁控濺射Al靶電流30A，電弧Cr靶電流為40A，復合沉積Ti/Al/Cr過渡層5?6min;
[0032](5)沉積TiAlCrN層:開啟N2，N2氣壓為1.5Pa，Ar氣壓0.5Pa，偏壓200V，Ti靶的靶電流50A，A1靶電流40A，Cr靶電流50A;沉積溫度260?280°C，復合沉積TiAlCrN 4?5min;
[0033](6)沉積Mo S2/T i /Al /Cr層:關閉N2，開啟Mo S2靶中頻磁控濺射電源，電流2.3A，T i靶電流40A，A1靶電流35A，Cr靶電流40A，偏壓調至230V，沉積溫度240?250°C，復合沉積MoS2/Ti/Al/Cr 4?5min;
[0034](7)沉積 TiAlCrN 層:重復(5);
[0035](8)沉積MoS2/Ti/Al/Cr層:重復(6);
[0036](9)重復(5)、(6)、(5)...:交替沉積TiAlCrN、MoS2/Ti/Al/Cr...TiAlCrN涂層共 120min;
[0037](10)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
[0038]實施例二
[0039]一種TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑涂層刀具，該刀具為普通麻花鉆，其刀具基體材料為:高速鋼W18Cr4V。沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍+中頻磁控濺射的復合鍍膜方法，沉積時使用兩個非平衡磁控濺射靶:I個Ti靶，I個Al靶，I個電弧Cr靶，2個MoS2中頻濺射靶。首先采用非平衡磁控濺射沉積Ti過渡層，其次采用非平衡磁控濺射+電弧離子鍍復合沉積Ti/Al/Cr過渡層，然后交替沉積TiAlCrN與MoS2/Ti/Al/Cr的多元疊層涂層，最后表面為MoS2/Ti/Al/Cr復合潤滑涂層。其制備工藝為:
[0040](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35min，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7.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫35?40min ；
[0041 ] (2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓900V，占空比0.3，輝光放電清洗20min;降低偏壓至700V，開啟離子源離子清洗lOmin，開啟Ti靶的非平衡磁控濺射靶電源，靶電流30A，偏壓400V，離子轟擊Ti靶I?2min;
[0042](3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓降至250V，Ti靶電流35A，沉積溫度2500C，非平衡磁控濺射Ti過渡層8?1min;
[0043](4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流40A，非平衡磁控濺射Al靶電流30A，電弧Cr靶電流為40A，復合沉積Ti/Al/Cr過渡層5?6min;
[0044](5)沉積TiAlCrN層:開啟N2，N2氣壓為1.5Pa，Ar氣壓0.5Pa，偏壓200V，Ti靶的靶電流50A，A1靶電流40A，Cr靶電流50A;沉積溫度260?280°C，復合沉積TiAlCrN 4?5min;
[0045](6)沉積此32/1^/^1/0層:關閉N2，開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流2.3A，Ti靶電流40A，A1靶電流35A，Cr靶電流40A，偏壓調至230V，沉積溫度240?250°C，復合沉積MoS2/Ti/Al/Cr 4?5min;
[0046](7)沉積 TiAlCrN 層:重復(5);
[0047](8)沉積MoS2/Ti/Al/Cr層:重復(6);
[0048](9)重復(5)、(6)、(5)...:交替沉積TiAlCrN、MoS2/Ti/Al/Cr...TiAlCrN涂層共 120min;
[0049](10)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
【主權項】
1.TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石或立方氮化硼，其特征在于，刀具表面為MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層，且由基體到涂層表面依次為Ti過渡層、Ti/Al/Cr過渡層、TiAlCrN硬質涂層與MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層交替的疊層結構涂層。2.如權利要求1所述TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑涂層刀具的制備工藝，其特征在于，沉積方式為采用非平衡磁控濺射+電弧鍍+中頻磁控濺射的復合鍍膜方法，沉積時使用兩個非平衡磁控濺射靶:1個Ti靶，I個Al靶，I個電弧Cr靶，2個MoS2中頻濺射靶。3.根據權利要求2所述TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤滑涂層刀具的制備工藝，其特征在于，首先采用非平衡磁控濺射沉積Ti過渡層，其次采用非平衡磁控濺射+電弧離子鍍復合沉積Ti/Al/Cr過渡層，然后交替沉積TiAlCrN硬質涂層與MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層交替的疊層結構涂層，最后表面為MoS2/Ti/Al/Cr復合潤滑涂層。4.根據權利要求2或3所述TiAlCrN&MoS2/Ti/Al/Cr多元疊層潤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，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7.0 X 10—3Pa，加熱至300°C，保溫35?40min; (2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓900V，占空比0.3，輝光放電清洗20min;降低偏壓至700V，開啟離子源離子清洗lOmin，開啟Ti靶的非平衡磁控濺射靶電源，靶電流30A，偏壓400V，離子轟擊Ti靶I?2min ； (3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓降至250V，Ti靶電流35A，沉積溫度250°C，非平衡磁控派射Ti過渡層8?1min; (4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流40A，非平衡磁控濺射Al靶電流30A，電弧Cr靶電流為40A，復合沉積Ti/Al/Cr過渡層5?6min; (5)沉積TiAlCrN硬質涂層:開啟N2，N2氣壓為1.5Pa，Ar氣壓0.5Pa，偏壓200V，Ti靶的靶電流50A，Al靶電流40A，Cr靶電流50A;沉積溫度260?280 °C，復合沉積TiAlCrN硬質涂層4?5min； (6)沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層:關閉N2，開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流2.3A，Ti靶電流40A，A1靶電流35A，Cr靶電流40A，偏壓調至230V，沉積溫度240?250°C，復合沉積MoS2/Ti/Al/Cr 潤滑涂層 4 ?5min; (7)沉積TiAlCrN硬質涂層:重復(5); (8)沉積MoS2/Ti/Al/Cr潤滑涂層:重復(6); (9)重復(5)、(6)、(5)...:交替沉積TiAlCrN、MoS2/Ti/Al/Cr...TiAlCrN涂層共120min； (10)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
【文檔編號】C23C14/06GK105862004SQ201610428788
【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, 王首軍, 郭宗新, 周珂, 李小冬
【申請人】濟寧學院