W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具及其制备工艺
一、技术领域
[0001] 本
发明属于机械
切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具及其制备工艺。二、背景技术
[0002] WS2涂层具有非常低的
摩擦系数，本身具备自润滑性能。由于WS2本身具有的层状结构，在切削过程中，可在刀-屑、刀-工
接触区形成一层WS2转移膜，从而降低刀-屑、刀工接触区的摩擦。但WS2涂层硬度很低，切削过程中，在高温、高压作用下极易磨损，限制了WS2涂层在刀具方面的应用。通过在WS2涂层中添加C元素、N元素等
合金元素，可提高WS2涂层的硬度，提高WS2涂层刀具的性能，满足切削加工的要求。
[0003] 由于涂层与基体的材料不同，材料
热膨胀系数的不同会在涂层内部形成较大的内应
力，从而降低涂层与基体结合力。采用梯度涂层可使涂层成分及性能沿厚度方向连续变化，改善涂层与基体的匹配性，提高涂层与基体的结合强度和涂层的摩擦磨损性能，提高涂层的
断裂韧性。
[0004] 中国
专利(
申请号：201410263737.2)报道了TiSiN-WS2/Zr-WS2涂层刀具及其制备工艺，该专利综合了TiSiN高硬度、高
耐磨性和WS2涂层低摩擦系数，改善了刀具干切削性能，但由于WS2/Zr涂层Zr元素含量高，降低了涂层的自润滑性能。文献[Surface and Coatings Technology.2015,261:7-14]报道了W-S-N涂层的制备及摩擦性能，但是这种涂层硬度最高为9GPa，涂层硬度仍较低，限制了其广泛应用。文献[Plasma Process and Polymers.2009,6:417-424]报道了W-S-C涂层的制备及摩擦性能，但是这种涂层在
温度高于400℃会很快磨损，较难满足干切削加工的要求。三、发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具及其制备工艺，该涂层刀具综合了在WS2涂层中添加
合金元素C元素和N元素提高刀具涂层硬度的方法，涂层刀具的硬度得到较大提高，涂层刀具的切削性能得到改善。且W-S-C-N梯度层中N元素含量沿涂层厚度方向逐渐变化，降低了涂层的内
应力，提高了涂层与基体的结合强度。
[0006] 本发明是通过以下方式实现的。
[0007] 一种W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速
钢或硬质合金，刀具表面为W-S-C-N梯度涂层，W-S-C-N梯度涂层与刀具基体之间为Ti过渡层。
[0008] 一种W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具制备工艺，沉积方式为
电弧离子
镀沉积Ti过渡层+中频
磁控溅射沉积W-S-C-N梯度涂层，其具体工艺步骤为：
[0009] (1)制备W-S-C复合靶：用数控加工方法在直径为101.6mm、厚度为4.7mm的C靶溅射区域中心
位置均布加工10～15个沿圆周分布的
盲孔，盲孔的直径小于溅射区域的宽度，盲孔的深度为3mm，在盲孔内分别放入与盲孔直径相同、厚度为5mm的WS2圆片和C圆片；
[0010] (2)安装W-S-C复合靶：在
镀膜机中频磁控溅射靶安装位置安装2个W-S-C复合靶；
[0011] (3)前处理：将刀具基体表面
抛光至镜面，去除表面污物，然后依次分别放入酒精和丙
酮中，超声清洗各15～20min，去除刀具表面的油污和其他污物，电吹
风干燥充分后迅速放入镀膜机
真空室，抽真空至7.0×10-3Pa，加热至100～250℃，保温30～40min；
[0012] (4)离子清洗：通Ar气，气压为1.5Pa，开启
偏压电源，
电压为800V，占空比为0.2，辉光清洗15min；偏压降至400V，开启离子源，开启电弧源Ti靶，
电流调至65A，离子清洗2～3min；
[0013] (5)沉积Ti过渡层：调整Ar气压为0.5～0.6Pa，偏压降至200～300V，电弧镀Ti 3～5min；
[0014] (6)沉积W-S-C-N梯度层：调整工作气压为0.6～1.0Pa，开启N2，调整N2初始流量为2～9sccm，N2流量时间变化间隔为5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min，每个时间间隔N2流量增加2～9sccm，N2流量最终增加至14～63sccm；开启Ar气，Ar气流量为60～70sccm；开启2个中频磁控溅射W-S-C复合靶，W-S-C复合靶电流为1～2A，偏压调至100V，每隔28min调整偏压依次为100V、75V、50V、75V、100V，沉积W-S-C-N梯度层140min；
[0015] (7)后处理：关闭2个W-S-C复合靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压，沉积涂层结束。
[0016] 通过调整W-S-C复合靶中C圆片的数量和调整通入N2流量来调整W-S-C-N梯度涂层中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梯度涂层中C元素含量最佳原子百分比在10～45％之间，N元素含量最佳原子百分比在5～45％之间。
[0017] 通过上述工艺制备的W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具，刀具表面为W-S-C-N梯度层，W-S-C-N梯度层与刀具基体之间具有Ti过渡层，可减小残余应力，提高涂层与基体间的结合强度。W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具硬度的提高是通过以下方式实现的：(1)C元素的加入使WS2晶格发生畸变，产生固溶强化；(2)N元素的加入使WS2晶格发生畸变，产生固溶强化；(3)C元素的加入能与WS2中的W元素形成WC硬质和金相；(4)C元素、N元素之间能在涂层沉积过程中形成共价键。W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具增韧机理为：将W-S-C-N层设计为梯度结构，N元素含量沿涂层厚度方向线性变化，在W-S-C-N梯度涂层最外子层N元素含量达到最大值，涂层硬度达到最大值；W-S-C-N梯度涂层内部硬度虽略有下降，但具有较强的断裂韧性，同时W-S-C-N涂层的梯度设计减少了W-S-C-N梯度层与过渡层之间的组分差异，提高了涂层与基体的结合力。
[0018] W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具在切削过程中可在刀-屑、刀-工接触区形成WS2转移膜，可降低切削力和切削温度，减少粘结，减小刀具磨损，提高刀具使用寿命。W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具具有较高的硬度、较低的摩擦系数，涂层的断裂韧性较高，涂层与基体的结合力较大，可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。四、
附图说明
[0019] 图1为本发明的W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具的涂层结构示意图。
[0020] 图中：1为W-S-C-N梯度层1子层，2为W-S-C-N梯度层2子层，3为W-S-C-N梯度层3子层，4为W-S-C-N梯度层4子层，5为W-S-C-N梯度层5子层，6为W-S-C-N梯度层6子层，7为W-S-C-N梯度层7子层，1～7总称为W-S-C-N梯度层，8为Ti层，9为刀具基体。
[0021] 图2为本发明的W-S-C复合靶的结构示意图。
[0022] 图中：10为WS2圆片，11为C靶，12为C圆片。五、具体实施方式：
[0024] 实施例一：
[0025] W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具及其制备工艺，该刀具基体9材料为YT15硬质合金车刀，刀具表面为W-S-C-N梯度涂层，W-S-C-N梯度涂层与刀具基体之间为Ti层8。沉积方式为：电弧离子镀沉积Ti过渡层+中频磁控溅射沉积W-S-C-N梯度涂层。其制备工艺步骤如下：
[0026] (1)制备W-S-C复合靶：用数控加工方法在直径为101.6mm、厚度为4.7mm的C靶11溅射区域中心位置均布加工10～15个沿圆周分布的盲孔，盲孔的直径为17mm，盲孔的深度为3mm，在盲孔内分别放入一定数量、直径为17mm、厚度为5mm的WS2圆片10和C圆片12；
[0027] (2)安装W-S-C复合靶：在镀膜机中频磁控溅射靶安装位置安装2个W-S-C复合靶；
[0028] (3)前处理：将YT15硬质合金车刀基体表面抛光至镜面，去除表面污物，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除刀具表面的油污和其他污物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，抽真空至7.0×10-3Pa，加热至200℃，保温30min；
[0029] (4)离子清洗：通Ar气，气压为1.5Pa，开启偏压电源，电压为800V，占空比为0.2，辉光清洗15min；偏压降至400V，开启离子源，开启电弧源Ti靶，电流调至65A，离子清洗2min；
[0030] (5)沉积Ti过渡层：调整Ar气压为0.5Pa，偏压降至200V，电弧镀Ti 3min；
[0031] (6)沉积W-S-C-N梯度层：调整工作气压为0.7Pa，开启N2，调整N2初始流量为4sccm，N2流量时间变化间隔为5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min，每个时间间隔N2流量增加4sccm，N2流量最终增加至28sccm；开启Ar气，Ar气流量为70sccm；开启2个中频磁控溅射W-S-C复合靶，W-S-C复合靶电流为1.5A，偏压调至100V，每隔28min调整偏压依次为100V、75V、50V、75V、100V，沉积W-S-C-N梯度层140min；
[0032] (7)后处理：关闭2个W-S-C复合靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压，沉积涂层结束。
[0033] 沉积后的W-S-C-N梯度层，包括W-S-C-N梯度层1子层1，W-S-C-N梯度层2子层2，W-S-C-N梯度层3子层3，W-S-C-N梯度层4子层4，W-S-C-N梯度层5子层5，W-S-C-N梯度层6子层6，W-S-C-N梯度层7子层7。
[0034] 通过调整W-S-C复合靶中C圆片的数量和调整通入N2流量来调整W-S-C-N梯度涂层中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梯度涂层中C元素含量最佳原子百分比在10～45％之间，N元素含量最佳原子百分比在5～45％之间。
[0035] 实施例二：
[0036] W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具及其制备工艺，该刀具基体9材料为W18Cr4V
高速钢麻花钻，刀具表面为W-S-C-N梯度涂层，W-S-C-N梯度涂层与刀具基体之间为Ti层8。沉积方式为：电弧离子镀沉积Ti过渡层+中频磁控溅射沉积W-S-C-N梯度涂层。其制备工艺步骤如下：
[0037] (1)制备W-S-C复合靶：用数控加工方法在直径为101.6mm、厚度为4.7mm的C靶11溅射区域中心位置均布加工10～15个沿圆周分布的盲孔，盲孔的直径为17mm，盲孔的深度为3mm，在盲孔内分别放入一定数量、直径为17mm、厚度为5mm的WS2圆片10和C圆片12；
[0038] (2)安装W-S-C复合靶：在镀膜机中频磁控溅射靶安装位置安装2个W-S-C复合靶；
[0039] (3)前处理：将W18Cr4V高速钢麻花钻刀具基体表面用1000号
砂纸打磨，去除表面污物，然后依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各20min，去除刀具表面的油污和其他污物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，抽真空至7.0×10-3Pa，加热至250℃，保温40min；
[0040] (4)离子清洗：通Ar气，气压为1.5Pa，开启偏压电源，电压为800V，占空比为0.2，辉光清洗15min；偏压降至400V，开启离子源，开启电弧源Ti靶，电流调至65A，离子清洗3min；
[0041] (5)沉积Ti过渡层：调整Ar气压为0.6Pa，偏压降至300V，电弧镀Ti 5min；
[0042] (6)沉积W-S-C-N梯度层：调整工作气压为0.8Pa，开启N2，调整N2初始流量为6sccm，N2流量时间变化间隔为5min、10min、15min、20min、25min、30min、35min，每个时间间隔N2流量增加6sccm，N2流量最终增加至42sccm；开启Ar气，Ar气流量为65sccm；开启2个中频磁控溅射W-S-C复合靶，W-S-C复合靶电流为2A，偏压调至100V，每隔28min调整偏压依次为100V、75V、50V、75V、100V，沉积W-S-C-N梯度层140min；
[0043] (7)后处理：关闭2个W-S-C复合靶，关闭离子源及气体源，关闭脉冲偏压，沉积涂层结束。
[0044] 沉积后的W-S-C-N梯度层，包括W-S-C-N梯度层1子层1，W-S-C-N梯度层2子层2，W-S-C-N梯度层3子层3，W-S-C-N梯度层4子层4，W-S-C-N梯度层5子层5，W-S-C-N梯度层6子层6，W-S-C-N梯度层7子层7。
[0045] 通过调整W-S-C复合靶中C圆片的数量和调整通入N2流量来调整W-S-C-N梯度涂层中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梯度涂层中C元素含量最佳原子百分比在10～45％之间，N元素含量最佳原子百分比在5～45％之间。
