专利名称：软硬复合涂层刀具及其制备方法
技术领域：
本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种软硬复合涂层刀具及其
制备方法。
背景技术：
根据涂层材料的性质，涂层刀具又可分为两大类，S卩"硬"涂层刀具和"软"涂层 刀具。"硬"涂层刀具追求的主要目标是高的硬度和耐磨性，其主要优点是硬度高、耐磨性能 好，典型的"硬"涂层物质有TiC、 TiN、 TiCN、 A1203和TiAlN等。"软"涂层刀具追求的目标 是低摩擦系数，也称为自润滑刀具，典型的"软"涂层物质是具有低摩擦系数的固体润滑材 料(如MoS2、WS2、BN、TaS2等)。当前刀具涂层的发展趋势是涂层成分趋于多元化和复合 化。复合涂层可综合单涂层的优点，复合多涂层及其相关技术的出现，使涂层既可提高与基 体的结合强度又具有多种材料的综合性能，使涂层刀具的性能有了很大提高。
中国专利(专利号ZL 200610068975. 3)报道了"自润滑复合软涂层刀具及其制备 方法"，它是采用中频磁控+多弧法镀膜方法制备的MoS2/Zr/Ti复合涂层刀具，刀具表面为 MoS2层，MoS2层与刀具基体之间具有Ti、 MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr过渡层。该刀具进行干切 削时，刀具表面能形成具有润滑作用的连续固态润滑层，从而实现刀具的自润滑功能。文献 (International Journal of Refractory Metals&Hard Materials. 2008，26(3) :164-172) 报道了ZrN硬涂层刀具。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种MoS2/ZrN软硬复合涂层刀 具及其制备方法。该刀具表面的涂层为MoS2软涂层和ZrN硬涂层的复合，属于多层结构。 这种软硬复合涂层综合了 MoS2软涂层和ZrN硬涂层的优点，既具有较低的摩擦系数，又具 有较高的硬度，使涂层刀具的性能有了较大提高。
本发明是通过以下方式实现的。 软硬复合涂层刀具的制备方法，其特征在于沉积方式为中频磁控沉积MoS2软涂 层+电弧法镀Ti过渡层和ZrN硬涂层，其制备方法的步骤为 (1)前处理将刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮 中，超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，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200。C，保温30 40min ; (2)离子清洗通Ar气，其压力为0. 6 1. 5Pa，开启偏压电源，电压800 900V， 占空比0. 2，辉光放电清洗15min ;偏压降低至200V/0. 2，开启离子源离子清洗15min，开启 电弧源，偏压400V，靶电流50A，离子轰击Ti靶0. 5min ; (3)沉积Ti :调整Ar气压至0. 4 0. 5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 2 6min ;
(4)沉积ZrN :调整工作气压为O. 4 0. 5Pa，偏压150V， Zr靶的靶电流80 100A ; 开启N2，调整N2与Ar气的分压为1 : 1，沉积温度220 260°C ，电弧镀ZrN60 80min ;
(5)沉积MoS2 :开启MoS2耙，偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr耙，沉积温度 150 220°C，中频磁控沉积MoS280 150min。 (6)后处理关闭MoS2革巴，开离子源轰击5 8min。关闭各电源、离子源及气体源， 涂层结束。 通过上述方法制备的软硬复合涂层刀具，刀具表面为MoS2软涂层，MoS2层与刀具 基体间有Ti过渡层和ZrN硬涂层。Ti过渡层可减小残余应力，增加涂层与刀具基体间的结 合强度。这种软硬复合涂层综合了 MoS2软涂层和ZrN硬涂层的优点，既具有较低的摩擦系 数，又具有较高的硬度，使涂层刀具的性能有了较大提高。该刀具进行干切削时，刀具表面 能形成具有润滑作用的连续固态润滑层，从而可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切 削温度、减小刀具磨损的目的。该软硬复合涂层刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的 切削加工。
图1为本发明的软硬复合涂层刀具的涂层结构示意图。图中1为刀具基体、2为 Ti过渡层、3为ZrN硬涂层、4为MoS2软涂层。
具体实施例方式
下面给出本发明的二个最佳实施例 实施例一 一种软硬复合涂层刀具及其制备方法，该刀具的基体材料为W18Cr4V 高速钢；涂层材料为ZrN和MoS2 ;沉积方式为中频磁控Mo^软涂层+电弧法镀膜Ti过渡 层和ZrN硬涂层。其制备方法的步骤如下 (1)前处理将W18Cr4V高速钢刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次 放入酒精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入镀膜机 真空室，真空室本底真空7. 0X 10—3Pa，加热至200°C ，保温30min ; (2)离子清洗通Ar气，其压力为0. 8Pa，开启偏压电源，电压800V，占空比0. 2， 辉光放电清洗15min ;偏压降低至200V/0. 2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压 400V，耙电流50A，离子轰击Ti耙0. 5min ; (3)沉积Ti :调整Ar气压至0. 4 0. 5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 3min ;
(4)沉积ZrN :调整工作气压为0. 4 0. 5Pa，偏压150V， Zr靶的靶电流80A ;开启 N2，调整N2与Ar气的分压为1 : 1，沉积温度220°C ，电弧镀ZrN 65min ;
(5)沉积MoS2 :开启MoS2耙，偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr耙，沉积温度 160°C ，中频磁控沉积MoS2 80min。 (6)后处理关闭MoS2靶，开离子源轰击5min。关闭各电源、离子源及气体源，涂
层结束。 实施例二 一种软硬复合涂层刀具及其制备方法，该刀具的基体材料为YT14硬 质合金；涂层材料为ZrN和MoS2 ;沉积方式为中频磁控MoS2软涂层+电弧法镀膜Ti过渡 层和ZrN硬涂层。其制备工艺步骤如下 (1)前处理将YT14硬质合金基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒 精和丙酮中，超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，真空室本底真空7. 0X 10—3Pa，加热至200°C ，保温40min ; (2)离子清洗通Ar气，其压力为1. 0Pa，开启偏压电源，电压900V，占空比0. 2， 辉光放电清洗15min ;偏压降低至200V/0. 2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧源，偏压 400V，耙电流50A，离子轰击Ti耙0. 5min ; (3)沉积Ti :调整Ar气压至0. 4 0. 5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 5min ;
(4)沉积ZrN :调整工作气压为0. 4 0. 5Pa，偏压150V， Zr靶的靶电流90A ;开启 N2，调整N2与Ar气的分压为1 : 1，沉积温度250°C ，电弧镀ZrN 80min ;
(5)沉积MoS2 :开启MoS2耙，偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr耙，沉积温度 160°C ，中频磁控沉积MoS2 120min。 (6)后处理关闭MoS2靶，开离子源轰击8min。关闭各电源、离子源及气体源，涂
层结束。
权利要求
软硬复合涂层刀具，基体材料为高速钢或硬质合金，其特征是涂层材料为ZrN和MoS2；刀具表面为MoS2软涂层，MoS2软层与刀具基体之间有Ti过渡层和ZrN硬涂层。
2. 软硬复合涂层刀具的制备方法，其特征在于沉积方式为中频磁控沉积1052软涂层+ 电弧法镀Ti过渡层和ZrN硬涂层，其制备方法的步骤为(1) 前处理将刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮中， 超声清洗各15min，去除表面汗渍和油污，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200。C，保温30 40min ;(2) 离子清洗通Ar气，其压力为0. 6 1. 5Pa，开启偏压电源，电压800 900V，占空 比0. 2，辉光放电清洗15min ;偏压降低至200V/0. 2，开启离子源离子清洗15min，开启电弧 源，偏压400V，耙电流50A，离子轰击Ti靶0. 5min ;(3) 沉积Ti :调整Ar气压至0. 4 0. 5Pa，偏压降低至150V，电弧镀Ti 2 6min ;(4) 沉积ZrN :调整工作气压为0. 4 0. 5Pa，偏压150V，Zr靶的靶电流80 100A ;开 启N2，调整N2与Ar气的分压为1 : 1，沉积温度220 260°C ，电弧镀ZrN 60 80min ;(5) 沉积MoS2 :开启MoS2耙，偏压调至200V，关闭离子源，关闭Zr耙，沉积温度150 220°C，中频磁控沉积MoS2 80 150min ;(6) 后处理关闭MoS2靶，开离子源轰击5 8min。关闭各电源、离子源及气体源，涂 层结束。
全文摘要
本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种软硬复合涂层刀具及其制备方法。该刀具为基体材料为高速钢或硬质合金，其特征是涂层材料为ZrN和MoS2；刀具表面为MoS2软涂层，MoS2软层与刀具基体之间有Ti过渡层和ZrN硬涂层。属于多层结构，这种软硬复合涂层综合了MoS2软涂层和ZrN硬涂层的优点，既具有较低的摩擦系数，又具有较高的硬度，使涂层刀具的性能有了较大提高。该刀具进行干切削时，刀具表面能形成具有润滑作用的连续固态润滑层，从而可达到减小摩擦、阻止粘结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。该软硬复合涂层刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。
文档编号B32B9/00GK101746101SQ20091025
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月23日 优先权日2009年12月23日
发明者冯斌, 宋文龙, 宋良煜, 汤立民, 邓建新, 陈伦, 颜培 申请人:山东大学