等离子体织构化刀具及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种等离子体织构化刀具及其制备方法。
【背景技术】
[0002]在传统的切削过程中，为了满足加工工件表面质量的要求以及延长刀具的使用寿命，通常情况下需要不停地使用切削液对刀具进行润滑和冷却。切削液的使用不仅需要花费较高的成本，而且会对环境造成污染。为了减少切削液的使用，研究者开始致力于研究干切削及开发新型干切削刀具来满足干切削对刀具性能的要求。微织构刀具是一种新型的干切削刀具，通过在刀具表面加工微纳结构，在切削时能起到捕捉存储切肩、减小切削力、提高刀具使用寿命的作用。
[0003]申请号201410823133.9的中国发明专利申请就公开了一种超硬材料刀具表面凹坑微织构纹理的新型加工方法，采用超声振动-电火花-磨削复合加工平台，并且分为多个阶段进行磨削、电火花加工、微能脉冲放电与超声振动，整套加工设备庞大并且复杂，加工步骤繁多，并且只能够在刀具上获得微米级的织构。此外，电火花加工表面烧蚀严重，加工效率较低，且加工得到的微织构尺寸精度不高，织构截面为锥形，捕捉存储切肩的空间有限，刀具的切削性能还有待进一步的提尚。
[0004]因此，现有的微织构干切削刀具制备方法存在加工困难、加工得到的微织构尺寸不可控制且精度不高、微织构捕捉存储切肩能力较差的技术缺陷。
【发明内容】
[0005]本发明提供了一种等离子体织构化刀具及其制备方法，首次将等离子体刻蚀技术应用在刀具表面织构的加工上，并且实现了刀具织构尺寸和精度完全可控，织构尺寸最小可以达到几十纳米。此外，采用等离子体刻蚀加工的织构截面形貌是直沟槽，也有利于切肩的捕捉和存储，其克服了【背景技术】所存在的不足。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0006]等离子体织构化刀具，刀具的基体材料为硬质合金，刀具前刀面的刀-肩接触区采用等离子体刻蚀方法刻蚀形成纳米尺度的织构阵列。
[0007]一较佳实施例之中:所述纳米尺度的织构阵列圆孔直径= 200nm，圆孔的中心距=300nm，圆孔深度=500nm。
[0008]等离子体织构化刀具制备方法，步骤为:
[0009](I)制备掩膜板:通过溅射法在玻璃基板的表面溅射淀积氮化铬层，在氮化铬层的表面溅射铬膜层，在铬膜层的表面溅射三氧化二铬层，然后，采用电子束光刻在铬膜层加工纳米尺度的织构阵列；
[0010](2)刀具前处理:刀具先放入H2SO4和出02的混合溶液中恒温水浴10-30分钟，用去离子水冲洗并吹干;接着，放入NH4OH、H2O2、H2O的混合溶液中恒温水浴10-30分钟，用去离子水冲洗并吹干;接着，放入HCl、Η202、Η20的混合溶液中恒温水浴10-30分钟，用去离子水冲洗并吹干;接着在HF溶液中浸泡10-60秒，用去离子水冲洗并吹干;最后，刀具清洗并进行脱水烘焙；
[0011](3)光刻图形转印:光刻胶均匀的涂在刀具前刀面的刀-肩接触区，掩膜板放置于刀具前刀面上方并且玻璃基板朝上，在掩膜板上方用紫外线对光刻胶进行曝光，曝光后对光刻胶进行后烘，之后，用显影液对光刻胶进行溶解，在光刻胶上形成纳米尺度的织构阵列图形；
[0012](4)等离子体刻蚀:对照光刻胶上纳米尺度的织构阵列图形，采用等离子体刻蚀，在刀具上刻蚀形成纳米尺度的织构阵列。
[0013]一较佳实施例之中:所述铬膜层厚度为10nm;所述三氧化二铬层厚度为20nmo
[0014]一较佳实施例之中:刀具前处理步骤中，刀具是放入H2SO4:H202 = 4:1混合溶液中中恒温120°C水浴15分钟，用去离子水冲洗5分钟，再用氮气吹干；刀具是放入NH4OH: H2O2:H2O=Iil: 5混合溶液中恒温80°C水浴15分钟，用去离子水冲洗5分钟，再用氮气吹干;刀具是放入HCl =H2O2 = H2O= 1:1:6混合溶液中恒温80°C水浴15分钟，用去离子水冲洗5分钟，再用氮气吹干;刀具是先放入50 %HF溶液中浸泡30秒，用去离子水冲洗5分钟，再用氮气吹干;刀具是在400°C的对流烘箱中进行脱水烘焙。
[0015]一较佳实施例之中:光刻图形转印步骤中，曝光时间为12秒；后烘是在100°C的温度条件下热板后烘90秒；显影时间少于一分钟，显影结束后，在130°C的温度条件下坚膜烘焙90秒。
[0016]—较佳实施例之中:等离子体刻蚀步骤中，刀具前刀面上形成纳米尺度的织构阵列圆孔直径=200nm，圆孔的中心距=300nm，孔深=500nm。
[0017]—较佳实施例之中:等离子体刻蚀步骤中，刻蚀气体为氯气。
[0018]—较佳实施例之中:等离子体刻蚀步骤中，刻蚀气体为氯气和氩气的混合气体，氯气和氩气的气体流量分别为8sccm和2sccm。
[0019]一较佳实施例之中:等离子体刻蚀步骤中，在室温下采用ICP-2B进行等离子体刻蚀，使用射频13.56MHZ，ICP源功率为500W，偏置功率为200W，偏置电压200V，室内压力控制在1.27Pa，刻蚀反应式:WC+3Cl2=WCl4+CCl2，Co+Cl2 = CoCl2。
[0020]本技术方案与【背景技术】相比，它具有如下优点:
[0021]刀具前刀面的刀-肩接触区采用等离子体刻蚀方法刻蚀形成纳米尺度的织构阵列，进行干切削时，纳米织构刀具比微米织构刀具的抗粘结性能更好，其减少摩擦、降低切削力的作用更明显。纳米尺度的织构阵列减小了切削过程中的刀-肩接触长度，进而降低了切削力和切削温度，减少切肩的粘结，提高刀具的抗粘结性能，延长刀具的使用寿命。同时减少了切削液带来的环境污染，节约了生产成本，是未来干切削刀具发展的主要方向。
[0022]另外，等离子体刻蚀方法加工的纳米尺度织构阵列，尺寸可控，精度高，并且织构截面是直沟槽，利于存储切肩。
【附图说明】
[0023]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0024]图1绘示了本发明等离子体织构化刀具的立体示意图。
[0025]图2绘示了图1所示等离子体织构化刀具的剖视示意图。
[0026]图3绘示了在玻璃基板上溅射氮化铬层、铬膜层、三氧化二铬层的示意图。
[0027]图4绘示了掩膜板的示意图。
[0028]图5绘示了刀具上涂光刻胶的示意图。
[0029]图6绘示了对光刻胶进行曝光的示意图。
[0030]图7绘示了对光刻胶进行显影的示意图。
[0031]图8绘示了在刀具上刻蚀出纳米尺度的织构阵列示意图。
[0032]图9绘示了去除光刻胶的刀具示意图。
【具体实施方式】
[0033]请参照图1和图2，本发明的一种等离子体织构化刀具1，刀具1的基体材料为YG类硬质合金(主要成分是WC+Co，即WC/Co硬质合金)。刀具10前刀面的刀-肩接触区采用等离子体刻蚀方法刻蚀形成纳米尺度的织构阵列20。纳米尺度织构阵列的截面是直沟槽。优选地，所述纳米尺度的织构阵列20圆孔直径= 200nm，圆孔的中心距= 300nm，圆孔深度=500nmo
[0034]请参照图2至图9，上述刀具10的制备方法，包括步骤:
[0035](I)制备掩膜板:如图3所示，通过溅射法在玻璃基板30的表面溅射淀积氮化铬层40，在氮化铬层40的表面溅射铬膜层50，在铬膜层50的表面溅射三氧化二铬层60。优选地，所述铬膜层50厚度为10nm;所述三氧化二铬层60厚度为20n