TiCrN+MoS<sub>2</sub>/Cr/Ti組合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TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合潤滑涂層刀具及其制備工藝。TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合潤滑涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質合金、陶瓷或立方氮化硼，由基體到涂層表面依次為：Ti過渡層、Cr/Ti過渡層、TiCrN硬質涂層、Cr/Ti過渡層、MoS2/Cr/Ti潤滑涂層。其綜合了TiCrN多元硬質涂層刀具和MoS2/Cr/Ti潤滑涂層刀具的優點，既具有較高的硬度，又具有潤滑作用和較低的摩擦系數，使涂層刀具的切削性能有了顯著地提高。
【專利說明】
T i CrN+MoS2/Cr/T i組合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TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合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。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服上述現有涂層刀具技術的不足，結合多元硬質涂層和潤滑涂層的優點，提供一種TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合潤滑涂層刀具及其制備工藝。
[0005]本發明是通過以下方式實現的:
[0006]TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合潤滑涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質合金、陶瓷或立方氮化硼，由基體到涂層表面依次為:Ti過渡層、Cr/Ti過渡層、TiCrN硬質涂層、Cr/Ti過渡層、MoS2/Cr/Ti潤滑涂層。
[0007]TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合潤滑涂層刀具的制備工藝，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Cr靶電弧靶，2個MoS2中頻濺射靶:電弧離子鍍沉積T1、Cr/Ti過渡層、TiCrN硬質涂層和Cr/Ti過渡層，中頻磁控濺射MoS2及電弧離子鍍Cr、Ti復合沉積MoS2/Cr/Ti潤滑涂層。
[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，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;
[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15min，開啟Ti革E的電弧源，偏壓300V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶Imin ；
[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230°C，電弧鍍Ti過渡層3?4min;
[0012]4)沉積Cr/Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流100A，Cr靶電流80A，電弧鍍Cr/Ti過渡層4?5min;
[0013]5)沉積TiCrN硬質涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流120A，Cr靶電流90A；開啟N2，N2氣壓為1.2Pa，沉積溫度250?260°C，電弧鍍TiCrN硬質涂層50?60min ；
[0014]6)沉積Cr/Ti過渡層:關閉N2，Ti靶電流100A，Cr靶電流80A，沉積Cr/Ti過渡層5min；
[0015]7)沉積MoS2/Cr/Ti潤滑涂層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流1.5A，Ti靶電流80A，Cr靶電流70A，偏壓調至230V，沉積溫度280?300°C，復合沉積MoS2/Cr/Ti潤滑涂層30?40min;
[0016]8)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
[0017]與現有技術相比，本發明具有如下技術效果:
[0018]該刀具的涂層為TiCrN硬涂層和MoS2/Cr/Ti潤滑涂層的組合，屬于多層結構。該涂層采用電弧鍍和中頻磁控濺射復合鍍膜方法制備的TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合潤滑涂層刀具。基體上的Ti和Cr/Ti過渡層主要是提高組合潤滑涂層與刀具基體間的結合性能，MoS2/Cr/Ti潤滑涂層與TiCrN涂層之間的Cr/Ti過渡層主要是減緩因涂層成分突變造成的層間應力。這種組合潤滑涂層刀具綜合了 TiCrN多元硬質涂層刀具和MoS2/Cr/Ti潤滑涂層刀具的優點，既具有較高的硬度，又具有潤滑作用和較低的摩擦系數，使涂層刀具的切削性能有了顯著地提高。用這種組合潤滑涂層刀具進行干切削時，由于表面MoS2/Cr/Ti涂層本身具有潤滑作用，可以減小刀具與切肩之間的摩擦，從而降低切削力和切削溫度，比傳統涂層刀具減小刀具磨損10-15%;同時，TiCrN高硬度涂層可提高MoS2/Cr/Ti潤滑涂層的整體強度，減緩由于MoS2/Cr/Ti涂層本身硬度較低而造成的刀具涂層過早磨損，提高涂層使用壽命20%以上。該組合潤滑涂層刀具可廣泛應用于鋁合金、鈦合金等難加工有色金屬材料的干切削加工。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合潤滑涂層刀具的涂層結構示意圖。
[0020]圖中:I為刀具基體、2為Ti過渡層、3為Cr/Ti過渡層、4為TiCrN硬質涂層、5為Cr/Ti過渡層、6為MoS2/Cr/Ti潤滑涂層。
【具體實施方式】
[0021]下面給出本發明的最佳實施例:
[0022]實施例1
[0023]如圖1所示，一種TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合潤滑涂層刀具，該刀具為普通的銑刀片，其基體材料為:硬質合金YT15;涂層材料為:TiCrN和MoS2/Cr/Ti。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Ti靶電弧靶，一個Cr靶電弧靶，2個MoS2中頻濺射靶:電弧離子鍍沉積T1、Cr/Ti過渡層、TiCrN硬質涂層和Cr/Ti過渡層，中頻磁控濺射(MoS2)及電弧離子鍍(0、11)復合沉積此&/0/11潤滑涂層，其制備工藝為:
[0024]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 ；
[0025]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 ；
[0026]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230°C，電弧鍍Ti過渡層3?4min;
[0027]4)沉積Cr/Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流100A，Cr靶電流80A，電弧鍍Cr/Ti過渡層4?5min;
[0028]5)沉積TiCrN硬質涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流120A，Cr靶電流90A；開啟N2，N2氣壓為1.2Pa，沉積溫度250?260°C，電弧鍍TiCrN 50?60min ；
[0029]6)沉積Cr/Ti過渡層:關閉N2，Ti靶電流100A，Cr靶電流80A，沉積Cr/Ti過渡層5min；
[0030]7)沉積MoS2/Cr/Ti潤滑涂層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流1.5A，Ti靶電流80A，Cr靶電流70A，偏壓調至230V，沉積溫度280?300°C，復合沉積MoS2/Cr/Ti 30?40min ；
[0031]8)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
[0032]實施例2
[0033]如圖1所示，一種TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合潤滑涂層刀具，該刀具為普通麻花鉆，其刀具基體材料為:高速鋼W18Cr4V;涂層材料為:TiCrN和MoS2/Cr/Ti。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Ti靶電弧靶，一個Cr靶電弧靶，2個MoS2中頻濺射靶:電弧離子鍍沉積T1、Cr/Ti過渡層、TiCrN硬質涂層和Cr/Ti過渡層，中頻磁控濺射(MoS2)及電弧離子鍍(&、11)復合沉積此&/(>/11潤滑涂層，其制備工藝為:
[0034]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 ；
[0035]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 ；
[0036]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230°C，電弧鍍Ti過渡層3?4min;
[0037]4)沉積Cr/Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流100A，Cr靶電流80A，電弧鍍Cr/Ti過渡層4?5min;
[0038]5)沉積TiCrN硬質涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流120A，Cr靶電流90A；開啟N2，N2氣壓為1.2Pa，沉積溫度250?260°C，電弧鍍TiCrN 50?60min ；
[0039]6)沉積Cr/Ti過渡層:關閉N2，Ti靶電流10A，Cr靶電流80A，沉積Cr/Ti過渡層5min；
[0040]7)沉積MoS2/Cr/Ti潤滑涂層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流1.5A，Ti靶電流80A，Cr靶電流70A，偏壓調至230V，沉積溫度280?300°C，復合沉積MoS2/Cr/Ti 30?40min ；
[0041]8)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
【主權項】
1.TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合潤滑涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質合金、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、Cr/Ti過渡層、TiCrN硬質涂層、Cr/Ti過渡層、MoS2/Cr/Ti潤滑涂層。2.如權利要求1所述TiCrN+M0S2/Cr/Ti組合潤滑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制備組合涂層，包括I個Ti靶電弧靶，一個Cr靶電弧靶，2個MoS2中頻濺射靶:電弧離子鍍沉積T1、Cr/Ti過渡層、TiCrN硬質涂層和Cr/Ti過渡層，中頻磁控濺射MoS2及電弧離子鍍Cr、Ti復合沉積MoS2/Cr/Ti潤滑涂層。3.根據權利要求2所述的TiCrN+MoS2/Cr/Ti組合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230°C，電弧鍍Ti過渡層3?4min; 4)沉積Cr/Ti過渡層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓250V，Ti靶電流100A，Cr靶電流80A，電弧鍍Cr/Ti過渡層4?5min; 5)沉積TiCrN硬質涂層:Ar氣壓0.5Pa，偏壓220V，Ti靶的靶電流120A，Cr靶電流90A;開啟N2，N2氣壓為1.2Pa，沉積溫度250?260°C，電弧鍍TiCrN硬質涂層50?60min; 6)沉積Cr/Ti過渡層:關閉N2，T i靶電流10A，Cr靶電流80A，沉積Cr/T i過渡層5min; 7)沉積MoS2/Cr/Ti潤滑涂層:開啟MoS2靶中頻磁控濺射電源，電流1.5A，Ti靶電流80A，Cr靶電流70A，偏壓調至230V，沉積溫度280?300°C，復合沉積MoS2/Cr/Ti潤滑涂層30?40min； 8)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
【文檔編號】C23C14/32GK105887023SQ201610416767
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】宋文龍, 鄧建新, 崔祥府, 孫九瑞
【申請人】濟寧學院