Ti-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層刀具及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發明屬于機械制造金屬切削刀具領域，特別是涉及一種Ti?Al?Cr?N?Mo?S多元復合增強涂層刀具及其制備工藝。該刀具基體材料為高速鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石或立方氮化硼，表面為Ti?Al?Cr?N?Mo?S多元復合增強涂層，刀具基體和Ti?Al?Cr?N?Mo?S多元復合增強涂層之間依次為Ti過渡層和Ti/Al/Cr過渡層。所述多元復合增強涂層刀具可提高現有二元、三元及復合潤滑涂層刀具的物理與機械性能，兼具多元硬質涂層極高的硬度、耐磨性和MoS2固體潤滑劑良好的減摩潤滑性能，并使涂層刀具在涂層使用壽命周期中始終保持良好的減摩潤滑性和耐磨性，顯著提高現有涂層刀具的綜合使用性能。
【專利說明】
T1-Al -Cr-N-Mo-S多元復合増強涂層刀具及其制備工藝
技術領域
[0001]本發明屬于機械制造金屬切削刀具領域，特別是涉及一種T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層刀具及其制備工藝。
【背景技術】
[0002]根據涂層材料的性質，涂層刀具可分為兩大類，即:“高硬度”涂層刀具和“潤滑”涂層刀具。“高硬度”涂層刀具其主要優點是硬度高、耐磨性能好，典型的“高硬度”涂層材料有TiN、TiCN、TiAlN和類金剛石等。“潤滑”涂層刀具追求的目標是低摩擦系數，典型的“潤滑”涂層材料為具有低摩擦系數的固體潤滑材料(如:MoS2、WS2、TaS2等硫化物)。當前刀具涂層的發展趨勢是:涂層成分趨于多元化和復合化。復合涂層可綜合單涂層的優點，復合多涂層及其相關技術的出現，既可提高涂層與基體的結合強度，又兼顧多種單涂層的綜合性能，使涂層刀具的性能顯著提高。
[0003]中國專利(專利號ZL2006 I 0068975.3)報道了“自潤滑復合軟涂層刀具及其制備方法”，它是采用中頻磁控+多弧法鍍膜方法制備的MoS2/Cr復合涂層刀具，刀具表面為MoS2層，MoS2層與刀具基體之間具有Ti過渡層。該刀具在無切削液冷卻、潤滑的切削過程中，能夠在刀具表面能形成具有潤滑作用的潤滑膜，從而實現刀具自身的潤滑功能，但是這種潤滑涂層硬度較低而導致刀具涂層尤其是后刀面涂層的使用壽命不長。文獻(ActaMaterials.2011,59(1):68-74)報道了TiN硬涂層刀具切削加工時的作用機理及使用性能，但是這種硬涂層由于相對較高的摩擦系數，限制了其廣泛使用。中國專利梯度疊層涂層刀具及其制備方法(專利號201110214393.2)制備的ZrTiN復合涂層刀具有較高的硬度和強度、優異的抗磨損和抗腐蝕性能，但是在切削有色金屬材料時其摩擦系數較高，刀具使用壽命有待進一步提高。中國專利TiN+MoS2/Zr組合涂層刀具(專利號ZL 201110081977.7)采用中頻磁控濺射與電弧鍍復合鍍膜方法制備的TiN+MoS2/Zr組合涂層刀具，但該組合涂層在干切削超硬材料時刀具使用壽命仍無法滿足實際使用需要。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于改善現有二元、三元及復合潤滑涂層刀具的綜合性能，結合多元復合涂層和潤滑涂層的優點，提供一種T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層刀具及其制備工藝。
[0005]本發明是通過以下方式實現的:
[0006]T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石或立方氣化棚，表面為T1-Al-Cr-N-Mo-S多兀復合增強涂層，刀具基體和T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層之間依次為Ti過渡層和Ti/Al/Cr過渡層。
[0007]所述T1-Al-Cr-N-Mo-S多兀復合增強涂層刀具的制備工藝，沉積方式為米用電弧鍍+中頻磁控濺射+非平衡磁控濺射復合鍍膜方法，沉積時使用兩個電弧靶:1個Ti靶，I個Al靶，I個中頻磁控濺射Cr靶，2個非平衡磁控濺射MoS2。
[0008]首先電弧離子鍍沉積Ti過渡層，然后電弧離子鍍+中頻磁控濺射復合沉積Ti/Al/Cr過渡層，最后采用非平衡磁控濺射MoS2、電弧離子鍍T1、Al及中頻磁控濺射Cr復合沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層。
[0009]具體包括以下步驟:
[0010](I)前處理:將刀具基體表面拋光，去除表面雜質，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗，經干燥后迅速放入鍍膜機，抽真空至6.0 X 10—3Pa，加熱至350°C，保溫45?50min;
[0011](2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.8Pa，開啟偏壓電源，電壓800V，占空比0.25，輝光放電清洗20min;降低偏壓至650V，開啟離子源離子清洗20min，開啟Ti革E的電弧源革E電流60A，偏壓450V，離子轟擊Ti革El?2min ；
[0012](3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.6?0.8Pa，偏壓降至300V，Ti靶電流70A，沉積溫度250°C，電弧鍍Ti過渡層3?4min;
[0013](4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.6?0.7Pa，偏壓260V，電弧Ti靶電流80A，電弧Al靶電流70A，中頻磁控濺射Cr靶電流為35A，復合沉積Ti/Al/Cr過渡層7?8min;
[0014](5)沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓220V，沉積溫度230?250°C;電弧Ti靶電流100A，電弧Al靶電流85A;中頻磁控濺射Cr靶電流45A;開啟非平衡磁控濺射MoS2靶電源，電流1.6?1.8A;開啟N2，N2氣壓為1.2?1.3Pa;復合沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層80min ；
[0015](6)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
[0016]與現有技術相比，本發明具有如下優異技術效果:
[0017]本發明采用電弧鍍+中頻磁控濺射+非平衡磁控濺射復合鍍膜方法制備了T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層刀具。基體上的Ti過渡層和Ti/Al/Cr過渡層夠減緩因涂層成分突變造成的層間應力，提高多元復合增強涂層與刀具基體間的結合性能。所述多元復合增強涂層刀具可提高現有二元、三元及復合潤滑涂層刀具的物理與機械性能，通過合理的工藝調控，在T1-Al-Cr-N多元硬質涂層中增加適量的M0S2元素，使T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合涂層兼具多元硬質涂層極高的硬度、耐磨性和MoS2固體潤滑劑良好的減摩潤滑性能，并使涂層刀具在涂層使用壽命周期中始終保持良好的減摩潤滑性和耐磨性，顯著提高現有涂層刀具的綜合使用性能。與TiN+MoS2/Zr涂層刀具(專利號ZL 201110081977.7)相比，耐磨性提高了30-35%，涂層刀具使用壽命提高了 35%以上；與ZrTiN復合涂層刀具(專利號201110214393.2)相比，表面摩擦系數降低30-40%，減摩耐磨性提高35-40%，切削力和切削溫度降低20-30%，涂層刀具使用壽命提高35-40%，且提高了涂層刀具的使用范圍，可更廣泛應用于包括有色金屬在內的各種難加工材料的切削加工。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明的多元復合增強涂層刀具的涂層結構示意圖。
[0019]圖中:I為刀具基體、2為Ti過渡層、3為Ti/Al/Cr過渡層、4為T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層。
【具體實施方式】
[0020]下面給出本發明的最佳實施例:[0021 ] 實施例一
[0022]—種T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層刀具，該刀具為普通的銑刀片，其基體材料為:硬質合金YT15;沉積方式為采用電弧鍍+中頻磁控濺射+非平衡磁控濺射復合鍍膜方法，沉積時使用兩個電弧靶:1個Ti靶，I個Al靶，I個中頻磁控濺射Cr靶，2個非平衡磁控濺射Mo&。首先電弧離子鍍沉積Ti過渡層，然后電弧離子鍍+中頻磁控濺射復合沉積Ti/Al/Cr過渡層，最后采用非平衡磁控濺射Mo&、電弧離子鍍T1、Al及中頻磁控濺射Cr復合沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多兀復合增強涂層，其制備工藝為:
[0023](I)前處理:將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各40min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風干燥充分后迅速放入鍍膜機，抽真空至6.0 X 10—3Pa，加熱至350°C，保溫45?50min ；
[0024](2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.8Pa，開啟偏壓電源，電壓800V，占空比0.25，輝光放電清洗20min;降低偏壓至650V，開啟離子源離子清洗20min，開啟Ti革E的電弧源革E電流60A，偏壓450V，離子轟擊Ti革El?2min ；
[0025](3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.6?0.8Pa，偏壓降至300V，Ti靶電流70A，沉積溫度250°C，電弧鍍Ti過渡層3?4min;
[0026](4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.6?0.7Pa，偏壓260V，電弧Ti靶電流80A，電弧Al靶電流70A，中頻磁控濺射Cr靶電流為35A，復合沉積Ti/Al/Cr過渡層7?8min;
[0027](5)沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多元層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓220V，沉積溫度230?250°C;電弧Ti靶電流100A，電弧Al靶電流85A;中頻磁控濺射Cr靶電流45A;開啟非平衡磁控濺射MoS2靶電源，電流1.6?I.8Α;開啟N2，N2氣壓為1.2?1.3Pa;復合沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多元層80min;
[0028](6)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
[0029]實施例二
[0030]一種T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層刀具，該刀具為普通麻花鉆，其刀具基體材料為:高速鋼W18Cr4V;沉積方式為采用電弧鍍+中頻磁控濺射+非平衡磁控濺射復合鍍膜方法，沉積時使用兩個電弧靶:1個Ti靶，I個Al靶，I個中頻磁控濺射Cr靶，2個非平衡磁控濺射MoS2。首先電弧離子鍍沉積Ti過渡層，然后電弧離子鍍+中頻磁控濺射復合沉積Ti/Al/Cr過渡層，最后采用非平衡磁控濺射MoS2、電弧離子鍍T1、A1及中頻磁控濺射Cr復合沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多兀復合增強涂層，其制備工藝為:
[0031 ] (I)前處理:將刀具基體表面拋光，去除表面油污、銹跡等雜質，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各40min，去除刀具表面油污和其它附著物，電吹風干燥充分后迅速放入鍍膜機，抽真空至6.0 X 10—3Pa，加熱至350°C，保溫45?50min ；
[0032](2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.8Pa，開啟偏壓電源，電壓800V，占空比0.25，輝光放電清洗20min;降低偏壓至650V，開啟離子源離子清洗20min，開啟Ti革E的電弧源革E電流60A，偏壓450V，離子轟擊Ti革El?2min ；
[0033](3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.6?0.8Pa，偏壓降至300V，Ti靶電流70A，沉積溫度250°C，電弧鍍Ti過渡層3?4min;
[0034](4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.6?0.7Pa，偏壓260V，電弧Ti靶電流80A，電弧Al靶電流70A，中頻磁控濺射Cr靶電流為35A，復合沉積Ti/Al/Cr過渡層7?8min;
[0035](5)沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多元層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓220V，沉積溫度230?250°C;電弧Ti靶電流100A，電弧Al靶電流85A;中頻磁控濺射Cr靶電流45A;開啟非平衡磁控濺射MoS2靶電源，電流1.6?I.8Α;開啟N2，N2氣壓為1.2?1.3Pa;復合沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多元層80min;
[0036](6)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
【主權項】
1.T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼、硬質合金、陶瓷、金剛石或立方氮化硼，其特征在于，表面為T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層，刀具基體和T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層之間依次為Ti過渡層和Ti/Al/Cr過渡層。2.如權利要求1所述T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層刀具的制備工藝，其特征在于，沉積方式為采用電弧鍍+中頻磁控濺射+非平衡磁控濺射復合鍍膜方法，沉積時使用兩個電弧靶:1個Ti靶，I個Al靶，I個中頻磁控濺射Cr靶，2個非平衡磁控濺射MoS2。3.根據權利要求2所述T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層刀具的制備工藝，其特征在于，首先電弧離子鍍沉積Ti過渡層，然后電弧離子鍍+中頻磁控濺射復合沉積Ti/Al/Cr過渡層，最后采用非平衡磁控濺射MoS2、電弧離子鍍T1、Al及中頻磁控濺射Cr復合沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層。4.根據權利要求2或3所述T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層刀具的制備工藝，其特征在于，具體包括以下步驟: (1)前處理:將刀具基體表面拋光，去除表面雜質，然后依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗，經干燥后迅速放入鍍膜機，抽真空至6.0 X 10—3Pa，加熱至350°C，保溫45?50min ； (2)離子清洗:通Ar氣，其壓力為1.8Pa，開啟偏壓電源，電壓800V，占空比0.25，輝光放電清洗20min;降低偏壓至650V，開啟離子源離子清洗20min，開啟Ti革E的電弧源革E電流60A，偏壓450V，離子轟擊Ti革El?2min; (3)沉積Ti過渡層:Ar氣壓0.6?0.8Pa，偏壓降至300V，Ti靶電流70A，沉積溫度250°C，電弧鍍Ti過渡層3?4min; (4)沉積Ti/Al/Cr過渡層:Ar氣壓0.6?0.7Pa，偏壓260V，電弧Ti靶電流80A，電弧Al靶電流70A，中頻磁控濺射Cr靶電流為35A，復合沉積Ti/Al/Cr過渡層7?8min; (5)沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層:Ar氣壓0.5?0.6Pa，偏壓220V，沉積溫度230?250°C ;電弧Ti靶電流10A，電弧Al靶電流85A;中頻磁控濺射Cr靶電流45A;開啟非平衡磁控濺射MoS2靶電源，電流1.6?1.8A;開啟N2，N2氣壓為1.2?1.3Pa;復合沉積T1-Al-Cr-N-Mo-S多元復合增強涂層80min ； (6)后處理:關閉各電源、離子源及氣體源，涂層結束。
【文檔編號】C23C14/35GK105861996SQ201610427706
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月15日
【發明人】宋文龍, 鄧建新, 張璇, 崔祥府, 王首軍, 李小冬
【申請人】濟寧學院