一种微织构梯度涂层刀具及其制备方法与流程

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，涉及了一种微织构梯度涂层刀具及其制备方法。

背景技术：

干切削作为一种新兴的经济环保制造技术，已成为绿色制造工艺研究的一个热点。但干切削由于缺少切削液，刀具与工件间产出剧烈摩擦，导致刀具磨损严重，寿命下降。对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，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。近年来研究发现，表面织构是一种改善接触界面摩擦状态、减小磨损的有效方法。在刀具表面置入合理的表面织构能够进一步提高刀具减摩抗磨性能，提高刀具寿命。因此，将表面织构与涂层结合为制备绿色刀具提供了新的思路。

中国发明专利“申请号：201410263779.6”报道了一种ws2/zr软涂层微纳复合织构陶瓷刀具及其制备方法，该刀具将软涂层与微纳织构结合，从而提高陶瓷刀具切削性能。中国发明专利“申请号：201710533151.7”报道了一种alnbn/alnbcn叠层涂层刀具及其制备工艺，该刀具综合了alnbn和alnbcn涂层刀具优点，具有良好的物理机械性能，可广泛用于钛合金、不锈钢等材料的切削加工。中国发明专利“申请号：201610812045.8”报道了一种微织构zrvsin自适应涂层刀具及其制备工艺，该刀具切削过程中刀具表面能够生成氧化物润滑膜，同时，微织构能够存储润滑膜。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供了一种微织构梯度涂层刀具及其制备方法。该刀具既具有较高的硬度，又具有自润滑性能；且涂层间结合力较强，内应力较小。切削过程能够显著减小刀具磨损，提高刀具寿命。

技术方案：本发明的一种微织构梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速钢、硬质合金或陶瓷，刀具前刀面和后刀面具有微织构，微织构表面沉积zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层和wbse软涂层，由该涂层到刀具基体材料表面依次为zrn+zr过渡层。

所述微织构梯度涂层刀具中的zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层至少含有两层zrvcn和两层tisinbc单个层，且zrvcn与tisinbc单个层的厚度小于等于100nm。

本发明的一种微织构梯度涂层刀具的制备方法，采用激光诱导液体等离子体加工技术在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出不同形貌、尺寸及阵列形式的微织构；采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备zr+zrn过渡层、zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层和wbse软涂层。其具体制备步骤如下：

(1)微织构的制备

a.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，进行去油污处理；

b.微织构加工：选用去离子水、盐水或甲醇液体作为工作介质，将清洗后刀具置于器皿中并固定，向器皿中加入液体介质，使得液体高度高于刀具表面10-30mm；开启激光器，通过调整激光焦距，使得液体介质被击穿在聚焦区域内发生光学击穿，从而在溶液-靶材界面产生等离子体，实现材料去除；通过调整激光加工参数，在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出不同结构形式及尺寸的微织构；

c.后处理：将织构化后刀具表面进行抛光，去除织构周围熔融物。

(2)梯度涂层的制备

a.前处理：将织构刀具依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20-30min，进行去油污处理；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^-3-8×10^-3pa，加热至200-300℃，保温时间30-50min；

b.离子清洗：通入ar2，其压力为0.5-1.5pa，开启偏压电源，电压500-1000v，占空比0.2，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zr靶，偏压300-600v，靶电流40-70a，离子轰击zr靶0.5-1min；

c.沉积zr过渡层：调整工作气压为0.5-0.6pa，偏压80-150v，zr靶电流90-110a，沉积温度为200-300℃，沉积1-5min；

d.沉积zrn过渡层：开启n2，调整n2流量为100-300sccm，zr靶电流调至60-90a，电弧镀+中频磁控溅射沉积zrn5-10min；

e.沉积zrvcn硬涂层：关闭zr靶，调整工作气压为1.5-2.0pa，偏压100-180v，开启zrvc复合靶电弧电源，靶电流调至70-120a，沉积zrvcn涂层5-10min；

f.沉积tisinbc硬涂层：关闭zrvc复合靶，关闭n2，调整工作气压为1.5-2.0pa，偏压100-180v，开启tisinbc复合靶电弧电源，靶电流调至70-120a，沉积tisinbc涂层5-10min；

g.沉积zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层：重复以上步骤(e)和(f)，交替沉积zrvcn+tisinbc叠层硬涂层，使得叠层硬涂层总层数为4-100层；

h.沉积wbse软涂层：关闭所有靶材，关闭n2，调整工作气压为1.0-3.0pa，偏压150-300v；开启中频磁控溅射wbse靶电源，电流调至50-60a，电弧镀+中频磁控溅射沉积wbse软涂层10-30min；

i.后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温30-60min，涂层结束。

所述的微织构加工方法中采用的激光器为纳秒激光或皮秒激光。

所述的微织构，其结构为圆孔状、沟槽状、网格状中的一种或其组合；织构直径或宽度为10-100μm，深度为2-200μm。

有益效果：1.本发明的微织构梯度涂层刀具，综合了微织构、硬涂层、软涂层、叠层结构及纳米涂层的优点，具有较高的硬度、良好的自润滑性能、较强的涂层结合力及较小的涂层内应力；2.微织构采用激光诱导液体等离子技术制备，减小了制备过程中氧化反应及重铸层，提高了微织构表面质量和加工精度；3.增加了刀具适用范围，该刀具可广泛应用于不锈钢、钛合金、铝合金、镍基合金等金属材料的切削加工。

附图说明

图1为该发明的多元复合涂层刀具结构示意图，其中：1为刀具基体材料，2为zr过渡层，3为zrn过渡层，4为zrvcn硬涂层，5为tisinbc硬涂层，6为zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层，7为wbse软涂层，8为微织构。

具体实施方式

实例1：一种微织构梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速钢，刀具前刀面和后刀面具有微织构，微织构表面沉积zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层和wbse软涂层，由该涂层到刀具基体材料表面依次为zrn+zr过渡层。所述微织构梯度涂层刀具中的zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层含有两层zrvcn和两层tisinbc单个层，且zrvcn与tisinbc单个层的厚度小于等于100nm。

一种微织构梯度涂层刀具的制备方法，采用激光诱导液体等离子体加工技术在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出圆孔状微织构；采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备zr+zrn过渡层、zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层和wbse软涂层。其具体制备步骤如下：

(1)微织构的制备

a.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，进行去油污处理；

b.微织构加工：选用去离子水作为工作介质，将清洗后刀具置于器皿中并固定，向器皿中加入液体介质，使得液体高度高于刀具表面10mm；开启纳秒激光器，通过调整激光焦距，使得液体介质被击穿在聚焦区域内发生光学击穿，从而在溶液-靶材界面产生等离子体，实现材料去除；通过调整激光加工参数，在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出圆孔状微织构，微孔直径为10μm，深度为10μm；

c.后处理：将织构化后刀具表面进行抛光，去除织构周围熔融物。

(2)梯度涂层的制备

a.前处理：将织构刀具依次放入酒精和丙酮中超声清洗各20min，进行去油污处理；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；

b.离子清洗：通入ar2，其压力为0.5-1.5pa，开启偏压电源，电压600v，占空比0.2，辉光放电清洗2min；偏压降低至300v，开启离子源离子清洗20min，开启电弧源zr靶，偏压300v，靶电流50a，离子轰击zr靶0.5min；

c.沉积zr过渡层：调整工作气压为0.5pa，偏压100v，zr靶电流90a，沉积温度为200℃，沉积1min；

d.沉积zrn过渡层：开启n2，调整n2流量为100sccm，zr靶电流调至60a，电弧镀+中频磁控溅射沉积zrn5min；

e.沉积zrvcn硬涂层：关闭zr靶，调整工作气压为1.5pa，偏压100v，开启zrvc复合靶电弧电源，靶电流调至80a，沉积zrvcn涂层5min；

f.沉积tisinbc硬涂层：关闭zrvc复合靶，关闭n2，调整工作气压为1.5pa，偏压100v，开启tisinbc复合靶电弧电源，靶电流调至80a，沉积tisinbc涂层5min；

g.沉积zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层：重复以上步骤(e)和(f)，交替沉积zrvcn+tisinbc叠层硬涂层，使得叠层硬涂层总层数为4层；

h.沉积wbse软涂层：关闭所有靶材，关闭n2，调整工作气压为2.0pa，偏压150v；开启中频磁控溅射wbse靶电源，电流调至50a，电弧镀+中频磁控溅射沉积wbse软涂层10min；

i.后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温30min，涂层结束。

实例2：一种微织构梯度涂层刀具，刀具基体材料为硬质合金，刀具前刀面和后刀面具有微织构，微织构表面沉积zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层和wbse软涂层，由该涂层到刀具基体材料表面依次为zrn+zr过渡层。所述微织构梯度涂层刀具中的zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层含有20层zrvcn和20层tisinbc单个层，且zrvcn与tisinbc单个层的厚度小于等于100nm。

一种微织构梯度涂层刀具的制备方法，采用激光诱导液体等离子体加工技术在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出网格状微织构；采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备zr+zrn过渡层、zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层和wbse软涂层。其具体制备步骤如下：

(1)微织构的制备

a.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30min，进行去油污处理；

b.微织构加工：选用盐水作为工作介质，将清洗后刀具置于器皿中并固定，向器皿中加入液体介质，使得液体高度高于刀具表面30mm；开启皮秒激光器，通过调整激光焦距，使得液体介质被击穿在聚焦区域内发生光学击穿，从而在溶液-靶材界面产生等离子体，实现材料去除；通过调整激光加工参数，在刀具前刀面刀-屑接触区和刀具后刀面刀-工接触区加工出网格状微织构，织构宽度为50μm，深度为50μm；

c.后处理：将织构化后刀具表面进行抛光，去除织构周围熔融物。

(2)梯度涂层的制备

a.前处理：将织构刀具依次放入酒精和丙酮中超声清洗各30min，进行去油污处理；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8×10^-3pa，加热至300℃，保温时间50min；

b.离子清洗：通入ar2，其压力为1.5pa，开启偏压电源，电压800v，占空比0.2，辉光放电清洗30min；偏压降低至800v，开启离子源离子清洗30min，开启电弧源zr靶，偏压600v，靶电流60a，离子轰击zr靶1min；

c.沉积zr过渡层：调整工作气压为0.6pa，偏压120v，zr靶电流110a，沉积温度为300℃，沉积3min；

d.沉积zrn过渡层：开启n2，调整n2流量为300sccm，zr靶电流调至90a，电弧镀+中频磁控溅射沉积zrn3min；

e.沉积zrvcn硬涂层：关闭zr靶，调整工作气压为2.0pa，偏压160v，开启zrvc复合靶电弧电源，靶电流调至100a，沉积zrvcn涂层8min；

f.沉积tisinbc硬涂层：关闭zrvc复合靶，关闭n2，调整工作气压为2.0pa，偏压160v，开启tisinbc复合靶电弧电源，靶电流调至100a，沉积tisinbc涂层8min；

g.沉积zrvcn+tisinbc交替叠层硬涂层：重复以上步骤(e)和(f)，交替沉积zrvcn+tisinbc叠层硬涂层，使得叠层硬涂层总层数为40层；

h.沉积wbse软涂层：关闭所有靶材，关闭n2，调整工作气压为3.0pa，偏压200v；开启中频磁控溅射wbse靶电源，电流调至60a，电弧镀+中频磁控溅射沉积wbse软涂层20min；

i.后处理：关闭所有靶材，关闭偏压电源及气体源，保温60min，涂层结束。