Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺的制作方法
【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Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺。
二、【背景技术】
[0002]在刀具表面涂覆固体润滑剂可减小切削过程中刀具与工件间的摩擦，改善加工条件，是实现干切削加工的有效途径之一。石墨C、二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2均具有六方晶系层状结构，都是良好的固体润滑剂，但它们又各有特点。在大气条件下，石墨C在高温下的化学稳定性比二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2要好。二硫化钼MoS 2、二硫化钨胃^更适宜在真空条件下使用，石墨C更适宜在潮湿环境中使用。石墨C与刀具基体的附着力较弱，二硫化钼MoS2、二硫化钨WS2中的S原子可以与刀具基体表面直接结合，附着力较强。因此，需要一种新的技术，综合石墨C、一硫化钥MoS2、一硫化鹤WS2的优良性能，使刀具涂层既具有较低的摩擦系数，又具有较宽的温度应用范围，对加工环境较好的适应性，且涂层与刀具基体间具有良好的结合性能，来满足干切削加工的要求。
[0003]中国专利“申请号:201110081807.9”报道了用MoS^v末制成的溶胶涂覆在硬质合金刀具表面制备MoS2软涂层刀具，但这种方法制备的MoS2涂层与基体的结合强度较低；中国专利“申请号:201410263737.2”报道了 TiSiN_WS2/Zr_WS2*层刀具及其制备工艺，但这种方法制备的涂层由于使用多弧靶Zr靶制备WS2/Zr层，WS2/Zr层中Zr含量过多，降低了WS2的润滑性能。文献[Applied Surface Science 331 (2015)66-71]报道了用直流磁控溅射方法制备的MoS2-C涂层，在C含量达到73.1at.%时，硬度达到最大值可达10.8GPa，但这种涂层的C含量过高，涂层的脆性增大，涂层与基体的结合强度降低，涂层易发生剥落。
三、
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺。该刀具具有自润滑功能，该刀具综合了在刀具表面涂覆MoS2、WS2、C实现刀具自润滑功能的方法，Mo-W-S-C层具有较高的硬度，较低的摩擦系数，对加工环境较好的适应性，与刀具基体结合性能良好。
[0005]本发明是通过以下方式实现的。
[0006]Mo-W-S-C自润滑涂层刀具，刀具基体材料为高速钢或硬质合金，刀具表面为Mo-W-S-C层，Mo-W-S-C层与刀具基体之间为Ti过渡层。
[0007]制备所述的Mo-W-S-C自润滑涂层刀具的方法是:沉积方式为多弧离子镀沉积Ti过渡层+中频磁控溅射沉积Mo-W-S-C层，沉积时使用I个Ti靶、2个Mo-W-S-C复合靶，其制备工艺步骤为:
[0008]1.Mo-W-S-C自润滑涂层刀具，刀具基体材料为高速钢或硬质合金，其特征在于:刀具表面为Mo-W-S-C层，Mo-W-S-C层与刀具基体之间为Ti过渡层。
[0009]2.Mo-W-S-C自润滑涂层刀具制备工艺，其特征在于:沉积方式为多弧离子镀沉积Ti过渡层+中频磁控溅射沉积Mo-W-S-C层，沉积时使用I个Ti靶、2个Mo-W-S-C复合靶，其制备工艺步骤为:
[0010](I)制备Mo-W-S-C复合靶:用数控加工方法沿直径为101.6mm，厚度为4.7mm的C靶的溅射区域内均布加工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3_，在盲孔内分别间隔放入与盲孔直径相同，厚度为5_的C圆片、胃^圆片和MoS2圆片；
[0011](2)安装Mo-W-S-C复合靶:在镀膜机真空室中频磁控溅射靶安装位置安装2个Mo-W-S-C复合靶；
[0012](3)前处理:将刀具基体表面抛光至镜面，去除表面污染层，依次分别放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面油污和其他污染物，用吹风机干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空7.0X10_3Pa，加热至100?250°C，保温30?40min ；
[0013](4)离子清洗:通入Ar气，气压为1.5Pa，开启脉冲偏压电源，电压为800V，占空比为0.2，辉光清洗15min，偏压降至300?400V，气压降至0.5Pa，开启离子源，开启电弧源Ti靶，Ti靶电流为50?70A，离子清洗2?3min ；
[0014](5)沉积Ti层:偏压降至150?200V，Ti靶电流为65?75A，电弧镀Ti 3?7min ；
[0015](6)沉积Mo-W-S-C层:关闭Ti靶，开启2个Mo-W-S-C复合靶，靶电流为I?2A，偏压降至100V，每隔20?30min调整偏压依次为100V、75V、50V、75V、100V，沉积Mo-W-S-C层 100 ?150min ；
[0016](7)后处理:关闭2个Mo-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。
[0017]通过调整放入盲孔中的C圆片、WS2圆片和MoS2圆片的数量，可调节Mo-W-S-C自润滑涂层中C元素、W元素和Mo元素的含量，使Mo-W-S-C自润滑涂层中的C元素最佳原子百分比在15%?40%之间、W元素最佳原子百分比在7%?25%之间、Mo元素最佳原子百分比在?%?25%之间。
[0018]通过上述工艺制备的Mo-W-S-C自润滑涂层刀具，Mo-W-S-C层与刀具基体间Ti过渡层的加入可减小残余应力，增加Mo-W-S-C层与刀具基体间的结合强度。
[0019]通过上述工艺制备的Mo-W-S-C自润滑涂层刀具，Mo-W-S-C层硬度的提高主要有以下机理:(I)C元素的加入使MoS^aB格发生畸变，产生固溶强化；(2) C元素的加入使WS 2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元素生成WC硬质合金相。Mo-W-S-C层润滑性能的提尚主要有以下机理:(I)C兀素的加入提尚了 Mo-W-S-C层在尚温下的化学稳定性；(2)MoS2、WS2的加入提高了涂层与刀具基体的结合强度；(3)C元素的加入能使MoS2、胃^被保护在非晶态C中，随着切削加工的进行，MoS 2、WS2逐渐暴露于刀具与工件的接触区域，在刀具与工件间形成具有润滑作用的转移膜，避免了 MoS2、WS2由于硬度较低过早被切肩带走，润滑性能降低。
[0020]通过上述工艺制备的Mo-W-S-C自润滑涂层刀具，对加工环境有较好的适应性，在切削加工中能减小刀具的粘结，降低刀具与工件间的摩擦，降低切削力及切削温度，减小刀具磨损，提高刀具使用寿命。Mo-W-S-C自润滑涂层刀具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】
[0021 ] 图1为本发明的Mo-W-S-C自润滑涂层刀具涂层结构示意图。
[0022]图中:1为Mo-W-S-C层、2为Ti层、3为刀具基体。
[0023]图2为本发明的Mo-W-S-C复合靶结构示意图。
[0024]图中:4为C圆片、5为C靶材、6为MoS2圆片、7为WS2圆片。
五、【具体实施方式】
[0025]下面给出本发明的最佳实施例:
[0026]实施例一:
[0027]一种Mo-W-S-C自润滑涂层刀具及其制备工艺，刀具基体材料I为YT14硬质合金车刀；刀具表面为Mo-W-S-C层3，Mo-W-S-C层与刀具基体之间为Ti过渡层2。沉积方式为多弧离子镀沉积Ti过渡层+中频磁控溅射沉积Mo-W-S-C层，沉积时使用I个Ti靶、2个Mo-W-S-C复合靶，其制备工艺步骤为:
[0028](I)制备Mo-W-S-C复合靶:用数控加工方法沿直径为101.6mm，厚度为4.7mm的C革巴5的派射区域内均布加工10?15个沿圆周分布的盲