本發(fā)明屬于機(jī)械切削刀具制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種織構(gòu)化軟硬復(fù)合涂層刀具及其制備方法。
背景技術(shù)：
對刀具進(jìn)行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一。根據(jù)涂層材料的性質(zhì)，涂層刀具又可分為兩大類，即：“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具?！坝病蓖繉拥毒叩闹饕獌?yōu)點(diǎn)是硬度高、耐磨性能好，典型的硬涂層物質(zhì)有TiC、TiN、A12O3、TiCN和TiAlN等。“軟”涂層刀具追求的目標(biāo)是低摩擦系數(shù)，典型的軟涂層物質(zhì)是具有低摩擦系數(shù)的固體潤滑材料(如：WS2、MoS2等)。當(dāng)前刀具涂層的發(fā)展趨勢是：涂層成分趨于多元化和復(fù)合化。復(fù)合涂層可綜合單涂層的優(yōu)點(diǎn)，復(fù)合多涂層及其相關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，使涂層刀具的性能有了很大提高。
中國專利(專利號ZL200910256536.9)報(bào)道了“軟硬復(fù)合涂層刀具及其制備方法”，該刀具表面的涂層為MoS2軟涂層和ZrN硬涂層的復(fù)合，屬于多層結(jié)構(gòu)。這種軟硬復(fù)合涂層綜合了MoS2軟涂層和ZrN硬涂層的優(yōu)點(diǎn)，既具有較低的摩擦系數(shù)，又具有較高的硬度，使涂層刀具的性能有了較大提高。中國專利(專利號ZL200610068975.3)報(bào)道了“自潤滑復(fù)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/Zr/Ti復(fù)合涂層刀具，刀具表面為MoS2層，MoS2層與刀具基體之間具有Ti、MoS2/Zr/Ti和MoS2/Zr過渡層。該刀具進(jìn)行干切削時(shí)，刀具表面能形成具有潤滑作用的連續(xù)固態(tài)潤滑層，從而實(shí)現(xiàn)刀具的自潤滑功能。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種織構(gòu)化軟硬復(fù)合涂層刀具及其制備方法。該刀具表面的涂層為WS2軟涂層和ZrN硬涂層的復(fù)合，屬于多層結(jié)構(gòu)，其特征在于涂層前，首先在硬質(zhì)合金刀具基體表面用飛秒激光加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，然后依次沉積Ti過渡層和ZrN硬涂層，再在ZrN硬涂層表面用飛秒激光加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，最后在織構(gòu)化ZrN硬涂層表面沉積WS2軟涂層。由于在基體表面和硬涂層表面進(jìn)行了織構(gòu)化處理，改變了表面的微觀結(jié)構(gòu)，增大比表面積和表面能，提高了涂層的附著力，增強(qiáng)了涂層刀具的抗剝落能力，從而提高涂層刀具的壽命。
本發(fā)明是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的。
1.織構(gòu)化軟硬復(fù)合涂層刀具及其制備方法，其特征在于涂層前，首先在硬質(zhì)合金刀具基體表面用飛秒激光加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，然后依次沉積Ti過渡層和ZrN硬涂層，再在ZrN硬涂層表面用飛秒激光加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，最后在織構(gòu)化ZrN硬涂層表面沉積WS2軟涂層。
2.所述織構(gòu)化軟硬復(fù)合涂層刀具及其制備方法，其具體制備的步驟為：
(1)前處理：將硬質(zhì)合金刀具基體表面拋光至鏡面，放入酒精中超聲清洗15min，去除表面污染層；
(2)硬質(zhì)合金刀具基體表面織構(gòu)化：采用飛秒激光在硬質(zhì)合金刀具表面加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，飛秒激光加工參數(shù)為：單脈沖能量為1.75-2.75μJ，掃描速度為125-2000μm/s，掃描間距為1-10μm、掃描遍數(shù)為1-6遍；
(3)離子清洗：將飛秒激光加工后的硬質(zhì)合金刀具在酒精中超聲清洗15min，干燥后迅速放入鍍膜機(jī)真空室，真空室本底真空7.0×10-3Pa，加熱至200℃，保溫30-40min；通Ar氣，其壓力為0.6-1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓800-900V，占空比0.2，輝光放電清洗15min；偏壓降低至200V/0.2，開啟離子源離子清洗15min，開啟電弧源，偏壓400V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶0.5min；
(4)沉積Ti過渡層：調(diào)整Ar氣壓至0.4-0.5Pa，偏壓降低至150V，電弧鍍Ti 2-6min；
(5)沉積ZrN硬涂層：調(diào)整工作氣壓為0.4-0.5Pa，偏壓150V，Zr靶的靶電流80-100A；開啟N2，調(diào)整N2與Ar氣的分壓為1:1，沉積溫度220-260℃，電弧鍍ZrN 60-80min；
(6)ZrN硬涂層表面織構(gòu)化：采用飛秒激光在ZrN硬涂層表面加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，飛秒激光加工參數(shù)為：單脈沖能量為1.75-2.75μJ，掃描速度為125-2000μm/s，掃描間距為1-10μm、掃描遍數(shù)為1-6遍；
(7)織構(gòu)化ZrN硬涂層表面沉積WS2軟涂層：開啟WS2靶，關(guān)閉Ti靶，偏壓調(diào)至100V，沉積溫度150-220℃，沉積時(shí)間100min；
(8)后處理：關(guān)閉WS2靶，關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
通過上述方法制備的織構(gòu)化軟硬復(fù)合涂層刀具，由于在基體表面和硬涂層表面進(jìn)行了織構(gòu)化處理，改變了表面的微觀結(jié)構(gòu)，增大比表面積和表面能，提高了涂層的附著力，增強(qiáng)了涂層刀具的抗剝落能力和抗破損能力，從而提高涂層刀具的壽命。該軟硬復(fù)合涂層刀具可廣泛應(yīng)用于干切削和難加工材料的切削加工。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的織構(gòu)化軟硬復(fù)合涂層刀具的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1為WS2軟涂層、2為ZrN硬涂層、3為Ti過渡層、4為刀具基體表面的納米級織構(gòu)、5為ZrN硬涂層表面的納米級織構(gòu)、6為硬質(zhì)合金刀具基體
具體實(shí)施方式：
下面給出本發(fā)明的二個(gè)最佳實(shí)施例：
實(shí)施例一：一種織構(gòu)化軟硬復(fù)合涂層刀具及其制備方法，其特征在于涂層前，首先在YG6硬質(zhì)合金刀具基體表面用飛秒激光加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，然后依次沉積Ti過渡層和ZrN硬涂層，再在ZrN硬涂層表面用飛秒激光加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，最后在織構(gòu)化ZrN硬涂層表面沉積WS2軟涂層。其具體制備的步驟為：
(1)前處理：將YG6硬質(zhì)合金刀具基體表面拋光至鏡面，放入酒精中超聲清洗15min，去除表面污染層；
(2)硬質(zhì)合金刀具基體表面織構(gòu)化：采用飛秒激光在YG6硬質(zhì)合金刀具表面加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，飛秒激光加工參數(shù)為：單脈沖能量為2μJ，掃描速度為800μm/s，掃描間距為4μm、掃描遍數(shù)為2遍；
(3)離子清洗：將飛秒激光加工后的YG6硬質(zhì)合金刀具在酒精中超聲清洗15min，干燥后迅速放入鍍膜機(jī)真空室，真空室本底真空7.0×10-3Pa，加熱至200℃，保溫30-40min；通Ar氣，其壓力為0.8Pa，開啟偏壓電源，電壓800V，占空比0.2，輝光放電清洗15min；偏壓降低至200V/0.2，開啟離子源離子清洗15min，開啟電弧源，偏壓400V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶0.5min；
(4)沉積Ti過渡層：調(diào)整Ar氣壓至0.4～0.5Pa，偏壓降低至150V，電弧鍍Ti 3min；
(5)沉積ZrN硬涂層：調(diào)整工作氣壓為0.4～0.5Pa，偏壓150V，Zr靶的靶電流80A；開啟N2，調(diào)整N2與Ar氣的分壓為1:1，沉積溫度220℃，電弧鍍ZrN 65min；
(6)ZrN硬涂層表面織構(gòu)化：采用飛秒激光在ZrN硬涂層表面加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，飛秒激光加工參數(shù)為：單脈沖能量為2.25μJ，掃描速度為1000μm/s，掃描間距為4μm、掃描遍數(shù)為1遍；
(7)織構(gòu)化ZrN硬涂層表面沉積WS2軟涂層：開啟WS2靶，關(guān)閉Ti靶，偏壓調(diào)至100V，沉積溫度180℃，沉積時(shí)間100min；
(8)后處理：關(guān)閉WS2靶，關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。
實(shí)施例二：一種織構(gòu)化軟硬復(fù)合涂層刀具及其制備方法，其特征在于涂層前，首先在YS8硬質(zhì)合金刀具基體表面用飛秒激光加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，然后依次沉積Ti過渡層和ZrN硬涂層，再在ZrN硬涂層表面用飛秒激光加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，最后在織構(gòu)化ZrN硬涂層表面沉積WS2軟涂層。其具體制備的步驟為：
(1)前處理：將YS8硬質(zhì)合金刀具基體表面拋光至鏡面，放入酒精中超聲清洗15min，去除表面污染層；
(2)硬質(zhì)合金刀具基體表面織構(gòu)化：采用飛秒激光在YS8硬質(zhì)合金刀具表面加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，飛秒激光加工參數(shù)為：單脈沖能量為2μJ，掃描速度為1000μm/s，掃描間距為5μm、掃描遍數(shù)為1遍；
(3)離子清洗：將飛秒激光加工后的YS8硬質(zhì)合金刀具在酒精中超聲清洗15min，干燥后迅速放入鍍膜機(jī)真空室，真空室本底真空7.0×10-3Pa，加熱至200℃，保溫30-40min；通Ar氣，其壓力為0.8Pa，開啟偏壓電源，電壓850V，占空比0.2，輝光放電清洗15min；偏壓降低至200V/0.2，開啟離子源離子清洗15min，開啟電弧源，偏壓400V，靶電流50A，離子轟擊Ti靶0.5min；
(4)沉積Ti過渡層：調(diào)整Ar氣壓至0.4～0.5Pa，偏壓降低至150V，電弧鍍Ti 4min；
(5)沉積ZrN硬涂層：調(diào)整工作氣壓為0.4～0.5Pa，偏壓150V，Zr靶的靶電流80A；開啟N2，調(diào)整N2與Ar氣的分壓為1:1，沉積溫度220℃，電弧鍍ZrN 65min；
(6)ZrN硬涂層表面織構(gòu)化：采用飛秒激光在ZrN硬涂層表面加工出均勻分布的納米級織構(gòu)，飛秒激光加工參數(shù)為：單脈沖能量為2μJ，掃描速度為1200μm/s，掃描間距為6μm、掃描遍數(shù)為1遍；
(7)織構(gòu)化ZrN硬涂層表面沉積WS2軟涂層：開啟WS2靶，關(guān)閉Ti靶，偏壓調(diào)至100V，沉積溫度200℃，沉積時(shí)間100min；
(8)后處理：關(guān)閉WS2靶，關(guān)閉各電源、離子源及氣體源，涂層結(jié)束。