技术领域
[0001] 本
发明属于机械
切削刀具制造技术领域,特别涉及了一种MoBSeC+AlHfVC/CrZrHfC多元复合梯度涂层刀具及其制备方法。
背景技术
[0002] 对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一,根据涂层材料的性质不同,涂层可分为以提高刀具表面硬度和
耐磨性能的“硬涂层”和以减小刀具表面摩擦且具有自润滑功效的“软涂层”。近年来,为进一步提高刀具性能,涂层刀具已由
单层向多元化和复合化发展;同时,将软涂层与硬涂层结合应用于切削刀具,使得刀具表面既具有较高的硬度又具有良好的自润滑功效,从而显著提高涂层刀具性能。
[0003] 中国
专利“
申请号:CN200910256536.9”报道了一种软硬复合涂层刀具及其制备方法,该刀具采用中频磁控沉积和多弧离子
镀膜方法制备MoS2/ZrN复合涂层刀具,该刀具既具有较低的
摩擦系数,又具有较高的硬度。中国专利“申请号:201610427737.0”报道了一种TiAlCrN+MoS2/Ti/Al/Cr组合润滑涂层刀具及其制备工艺,该刀具兼顾TiAlCrN多元硬涂层和MoS2/Ti/Al/Cr软涂层特性,可广泛应用于材料的干切削加工。以上报道的软硬涂层在硬度、热
稳定性等方面有待于进一步提高。目前,国内外未见MoBSeC+AlHfVC/CrZrHfC多元复合梯度涂层刀具的报道。
发明内容
[0004] 发明目的:本发明提供一种多元复合梯度涂层刀具及其制备方法。该刀具结合硬涂层及软涂层的特点,既具有高的硬度又具有良好的自润滑性能,且刀具涂层具有良好的耐热性及抗
氧化性等。干切削时,该刀具能够减小摩擦,抑制粘结、降低切削
力和切削
温度,减小刀具磨损,提高加工表面
质量。
[0005] 技术方案:本发明的一种多元复合梯度涂层刀具,刀具基体材料为高速
钢、硬质
合金、陶瓷或
立方氮化硼,其特征在于:所述刀具基体材料表面具有多元复合梯度涂层,其中最外层为MoBSeC软涂层,向内为AlHfVC与CrZrHfC交替分布叠层硬涂层,硬涂层与基体间依次有TiZrCN和TiN过渡层。
[0006] 本发明的多元复合梯度涂层刀具的制备方法,其特征在于采用多弧离子镀+中频
磁控溅射共沉积的方法在刀具表面依次制备TiN+TiZrCN过渡层、AlHfVC与CrZrHfC交替分布叠层硬涂层、MoBSeC软涂层。
[0007] 所述的一种多元复合梯度涂层刀具的制备方法,包括以下步骤:
[0008] (1)前处理:将刀具基体材料
研磨抛光,依次放入酒精和丙
酮中超声清洗各20-30min,去除表面油渍污染物,采用
真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室,真空室本底真空为7.0×10-3-8.0×10-3Pa,加热至200-300℃,保温时间30-40min;
[0009] (2)离子清洗:通入Ar2,其压力为0.5-2.0Pa,开启
偏压电源,
电压700-1200V,占空比0.3,
辉光放电清洗20-30min;偏压降低至300-800V,开启离子源离子清洗20-30min,开启
电弧源Ti靶,偏压400-600V,靶
电流40-80A,
离子轰击Ti靶1-2min;
[0010] (3)沉积TiN过渡层:调整工作气压为0.5-0.8Pa,偏压80-150V,Ti靶电流90-120A;开启N2,调整N2流量为150-300sccm,沉积温度为200-250℃,沉积2-10min;
[0011] (4)沉积TiZrCN过渡层:开启Zr靶电弧电源,Zr靶电流调至60-90A,开启C靶电弧电源,电流调至20-50A,沉积TiZrCN 5-10min;
[0012] (5)沉积CrZrHfC硬涂层:关闭Ti靶,关闭N2,调整工作气压为0.8-2.0Pa,偏压100-200V;开启Cr靶电弧电源,Cr靶电流调至80-100A,开启Hf靶电弧电源,电流调至30-50A,沉积CrZrHfC涂层20-40min;
[0013] (6)沉积AlHfVC硬涂层:关闭Cr靶,关闭Zr靶,调整工作气压为0.8-2.0Pa,偏压100-200V;开启Al靶电弧电源,Al靶电流调至80-100A,开启V靶电弧电源,电流调至30-50A,沉积AlHfVC涂层20-40min;
[0014] (7)沉积CrZrHfC+AlHfVC交替叠层硬涂层:重复以上步骤(5)和(6),交替沉积CrZrHfC+AlHfVC叠层涂层;CrZrHfC+AlHfVC叠层涂层总层数为2-8层;
[0015] (8)沉积MoBSeC软涂层:关闭Cr靶、Zr靶、Al靶、V靶、Hf靶,调整工作气压为1.0-3.0Pa,偏压150-250V;开启中频磁控溅射MoBSe靶电源,电流调至50-60A,电弧镀+中频磁控溅射沉积MoBSeC涂层20-30min;
[0016] (9)后处理:关闭MoBSe靶和C靶,关闭偏压电源及气体源,保温30-60min,涂层结束。
[0017] 有益效果:1.本发明的涂层刀具既具有较高的硬度、良好的
热稳定性、抗氧化性等,又具有良好的润滑性能,可显著提高提出刀具的切削性能。干切削时,硬涂层承受
载荷,软涂层能够在摩擦表面形成润滑膜,从而减小刀具表面摩擦磨损;2.该涂层刀具从过渡层到软硬涂层均含有过渡元素,能够减缓由于涂层成分突变造成的层间
应力,且能够显著提高涂层与基体间及涂层与涂层间结合力;3.CrZrHfC+AlHfVC叠层涂层提高了单一涂层的性能,增加了涂层刀具适用范围,MoBSeC相比普通MoS2等软涂层不仅具有自润滑性能,同时具有高的硬度和良好的抗氧化性;4.该刀具可广泛应用于干切削及难加工材料的切削加工。
附图说明
[0018] 图1为本发明的多元复合梯度涂层刀具结构示意图,其中:1为刀具基体材料,2为TiN过渡层,3为TiZrCN过渡层,4为CrZrHfC硬涂层,5为AlHfVC硬涂层,6为CrZrHfC+AlHfVC交替叠层硬涂层,7为MoBSeC软涂层。
具体实施方式
[0019] 实例1:一种多元复合梯度涂层刀具,刀具基体材料为硬质合金,刀具基体表面具有多元复合梯度涂层,其中最外层为MoBSeC软涂层,向内为AlHfVC与CrZrHfC交替分布叠层硬涂层,硬涂层与基体间依次有TiZrCN和TiN过渡层。
[0020] 该多元复合梯度涂层刀具的制备方法,采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面依次制备TiN+TiZrCN过渡层、AlHfVC与CrZrHfC交替分布叠层硬涂层、MoBSeC软涂层。其具体制备方法包括以下步骤:
[0021] (1)前处理:将刀具基体材料研磨抛光,依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min,去除表面油渍污染物,采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室,真空室本底真空为7.0×10-3Pa,加热至200℃,保温时间30min;
[0022] (2)离子清洗:通入Ar2,其压力为0.5Pa,开启偏压电源,电压700V,占空比0.3,辉光放电清洗20min;偏压降低至300V,开启离子源离子清洗20min,开启电弧源Ti靶,偏压400V,靶电流40A,离子轰击Ti靶2min;
[0023] (3)沉积TiN过渡层:调整工作气压为0.6Pa,偏压100V,Ti靶电流90A;开启N2,调整N2流量为150sccm,沉积温度为200℃,沉积5min;
[0024] (4)沉积TiZrCN过渡层:开启Zr靶电弧电源,Zr靶电流调至60A,开启C靶电弧电源,电流调至30A,沉积TiZrCN 5min;
[0025] (5)沉积CrZrHfC硬涂层:关闭Ti靶,关闭N2,调整工作气压为1.0Pa,偏压120V;开启Cr靶电弧电源,Cr靶电流调至80A,开启Hf靶电弧电源,电流调至40A,沉积CrZrHfC涂层20min;
[0026] (6)沉积AlHfVC硬涂层:关闭Cr靶,关闭Zr靶,调整工作气压为1.2Pa,偏压150V;开启Al靶电弧电源,Al靶电流调至80A,开启V靶电弧电源,电流调至40A,沉积AlHfVC涂层20min;
[0027] (7)沉积CrZrHfC+AlHfVC交替叠层硬涂层:重复以上步骤(5)和(6),交替沉积CrZrHfC+AlHfVC叠层涂层;CrZrHfC+AlHfVC叠层涂层总层数为4层;
[0028] (8)沉积MoBSeC软涂层:关闭Cr靶、Zr靶、Al靶、V靶、Hf靶,调整工作气压为2.0Pa,偏压150V;开启中频磁控溅射MoBSe靶电源,电流调至50A,电弧镀+中频磁控溅射沉积MoBSeC涂层30min;
[0029] (9)后处理:关闭MoBSe靶和C靶,关闭偏压电源及气体源,保温40min,涂层结束。
[0030] 实例2:一种多元复合梯度涂层刀具,刀具基体材料为陶瓷,刀具基体表面具有多元复合梯度涂层,其中最外层为MoBSeC软涂层,向内为AlHfVC与CrZrHfC交替分布叠层硬涂层,硬涂层与基体间依次有TiZrCN和TiN过渡层。
[0031] 该多元复合梯度涂层刀具的制备方法,采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面依次制备TiN+TiZrCN过渡层、AlHfVC与CrZrHfC交替分布叠层硬涂层、MoBSeC软涂层。其具体制备方法包括以下步骤:
[0032] (1)前处理:将刀具基体材料研磨抛光,依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min,去除表面油渍污染物,采用真空干燥箱充分干燥后迅速放入镀膜机真空室,真空室本底真空为8.0×10-3Pa,加热至300℃,保温时间40min;
[0033] (2)离子清洗:通入Ar2,其压力为2.0Pa,开启偏压电源,电压1000V,占空比0.3,辉光放电清洗30min;偏压降低至600V,开启离子源离子清洗30min,开启电弧源Ti靶,偏压600V,靶电流60A,离子轰击Ti靶1min;
[0034] (3)沉积TiN过渡层:调整工作气压为0.7Pa,偏压100V,Ti靶电流120A;开启N2,调整N2流量为250sccm,沉积温度为230℃,沉积8min;
[0035] (4)沉积TiZrCN过渡层:开启Zr靶电弧电源,Zr靶电流调至90A,开启C靶电弧电源,电流调至45A,沉积TiZrCN 10min;
[0036] (5)沉积CrZrHfC硬涂层:关闭Ti靶,关闭N2,调整工作气压为1.8Pa,偏压180V;开启Cr靶电弧电源,Cr靶电流调至100A,开启Hf靶电弧电源,电流调至50A,沉积CrZrHfC涂层30min;
[0037] (6)沉积AlHfVC硬涂层:关闭Cr靶,关闭Zr靶,调整工作气压为2.0Pa,偏压200V;开启Al靶电弧电源,Al靶电流调至100A,开启V靶电弧电源,电流调至50A,沉积AlHfVC涂层30min;
[0038] (7)沉积CrZrHfC+AlHfVC交替叠层硬涂层:重复以上步骤(5)和(6),交替沉积CrZrHfC+AlHfVC叠层涂层;CrZrHfC+AlHfVC叠层涂层总层数为8层;
[0039] (8)沉积MoBSeC软涂层:关闭Cr靶、Zr靶、Al靶、V靶、Hf靶,调整工作气压为2.0Pa,偏压200V;开启中频磁控溅射MoBSe靶电源,电流调至60A,电弧镀+中频磁控溅射沉积MoBSeC涂层20min;
[0040] (9)后处理:关闭MoBSe靶和C靶,关闭偏压电源及气体源,保温60min,涂层结束。