一种类金刚石原位自反应石墨化润滑涂层刀具及其制备方法与流程

本发明涉及一种类金刚石原位自反应石墨化润滑涂层刀具及其制备方法，属于金属切削工具制造技术领域。

背景技术：

机械制造业为整个国民经济提供技术装备，是国民经济和社会发展以及国防建设的物质基础，其发展水平是国家综合实力的重要标志。切削加工技术是机械制造业中应用最广泛的基础技术，而切削刀具技术的进步则是切削加工技术快速发展的关键。近年来，随着工件材料向复合化、轻量化方向发展，陶瓷基复合材料、石墨复合材料、碳纤维复合材料、高温合金等难加工材料在航空航天、汽车、船舶等行业得到了快速发展。金刚石薄膜因具有高硬度、高耐磨性、化学稳定性、高导热率等优点，在难加工材料切削用刀具的涂层领域具备广阔的应用前景。金刚石涂层本身具有一定的润滑性能，但在干切削条件下其润滑功效相比自润滑涂层刀具尚有一些差距，织构润滑的方式在金刚石涂层表面的实现对于织构制备工艺亦是一个极大的挑战。为此，如果能够开发一种自润滑金刚石涂层刀具，兼顾金刚石本身的优良特性和自润滑性能，对促进金刚石刀具的应用拓展及难加工材料的切削进步均将产生深远的影响。

中国文献“cvd金刚石薄膜涂层刀具的技术进展,机械设计与制造工程,2016,45(8):11-15”介绍了化学气相沉积金刚石涂层刀具的研究开发现状，总结了当前有效提高金刚石刀具膜-基结合强度的措施，展望了金刚石涂层刀具的发展趋势。中国专利“申请号：201711280418.2”报道了复杂形状金刚石涂层刀具的hfcvd批量制备方法，该发明将预处理后的复杂形状刀具刀柄插入刀具冷却底座，hfcvd单层热丝加热，通过水冷工作台升降实现刀具冷却底座自由升降，该发明可保证反应场及反应基团密度场的均匀分布，以达到金刚石薄膜的均匀沉积。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种类金刚石原位自反应石墨化润滑涂层刀具及其制备方法，实现类金刚石涂层刀具切削过程的原位反应自润滑。

技术方案：本发明的一种类金刚石原位自反应石墨化润滑涂层刀具的基体材料为陶瓷、硬质合金、高速钢等各种材料，刀具基体表面有类金刚石涂层，类金刚石涂层的外层部分含有铁、钴等掺杂的过渡金属元素。

本发明的一种类金刚石原位自反应石墨化润滑涂层刀具的制备方法如下：选用高纯石墨作为溅射靶材，甲烷作为反应气体，通氢气、氩气的混合气体，采用反应磁控溅射的方法沉积类金刚石涂层的内层；选用高纯石墨、单一过渡金属元素作为不同的靶材，甲烷作为反应气体，通氩气，采用反应磁控溅射的方法沉积类金刚石涂层的外层，通过溅射功率调控保证类金刚石涂层的外层部分所含过渡金属元素占外层涂层总元素的原子数百分比在3％～5％之间。

有益效果：

本发明通过分步骤反应磁控溅射的方法制备出一种类金刚石原位自反应石墨化润滑涂层刀具，涂层的外层中含有掺杂的过渡金属元素。在切削高温作用下，铁、钴等过渡金属元素会诱导类金刚石中的碳原子之间的σ键向π键转换，促使切削摩擦界面的部分类金刚石原位反应转化为石墨，从而有效润滑金属切削过程。因过渡金属元素占比较小，且切削高温在刀-屑紧密接触区最为严重，只是刀-屑接触区的涂层外表面区域的类金刚石的一部分发生原位石墨化转变，既满足切削润滑，又保证了类金刚石的原始硬度。

附图说明

图1为本发明的类金刚石原位自反应石墨化润滑涂层刀具切削时原位反应产生石墨润滑层的示意图，其中：只有与切屑紧密接触的区域在高温下表层才会部分石墨化。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

实施例：

一种类金刚石原位自反应石墨化润滑涂层车削刀片，刀片基体材料为yg类硬质合金，刀片表面的类金刚石涂层总厚度为10μm，其中类金刚石涂层内层厚度为6μm，类金刚石涂层外层厚度为4μm，外层含有原子百分比为3％的过渡金属元素钴。

该类金刚石原位自反应石墨化润滑涂层车削刀片的制备方法如下：

(1)前处理：将yg类硬质合金刀片进行研磨处理，放入无水乙醇中超声清洗15min，真空烘干。

(2)选用高纯石墨作为溅射靶材，甲烷作为反应气体，通氢气、氩气的混合气体，采用反应磁控溅射的方法沉积类金刚石涂层的内层，控制气流速率比甲烷：氢气：氩气为1：200：300，石墨靶材溅射功率250w，沉积温度900℃，沉积出6μm厚类金刚石涂层时停止溅射沉积。

(3)待磁控溅射炉自然冷却后，打开炉子，保持刀片不动，增加安装钴靶材，封闭炉子，抽真空，通气流速率比甲烷：氩气为1：200的混合气体，沉积温度1000℃，启动磁控溅射，石墨靶材的溅射功率为300w，钴靶材的溅射功率为50w，待继续沉积掺杂钴元素的类金刚石涂层4μm时停止溅射沉积，完成本涂层刀具的制备。

技术特征：

技术总结
本发明属于金属切削工具制造技术领域，涉及一种类金刚石原位自反应石墨化润滑涂层刀具及其制备方法。该刀具基体表面具有类金刚石涂层薄膜，类金刚石薄膜的外层含有铁、钴等掺杂的过渡金属元素成分。该刀具的类金刚石薄膜由反应磁控溅射的方法制备，其中镀膜主体工艺分为两个步骤：无掺杂反应磁控溅射制备类金刚石内层，掺杂过度金属元素反应磁控溅射制备类金刚石外层。该类金刚石涂层刀具的薄膜外层含有少量过渡金属元素杂质，在切削高温作用下，过渡金属元素会诱导类金刚石中的碳原子之间的σ键向π键转换，促使切削摩擦界面的部分类金刚石原位反应转化为石墨，从而有效润滑金属切削过程。

技术研发人员：吴泽;邢佑强;赵国龙;刘晓军
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2018.11.23
技术公布日：2019.02.22