Mo-S-N-Cr自潤(rùn)滑梯度涂層刀具及其制備工藝的制作方法
【專利說明】
一、技術(shù)領(lǐng)域
[0001]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Mo-S-N-Cr自潤(rùn)滑梯度涂層刀具及其制備工藝。
二、【背景技術(shù)】
[0002]過渡金屬二硫?qū)倩?TMD)具有優(yōu)良的潤(rùn)滑性能，其中MoSjP WS 2應(yīng)用最為廣泛。然而，由于空氣中的水蒸氣可以降低TMD的潤(rùn)滑性能，從而限制了 TMD應(yīng)用在真空或干燥的環(huán)境中。另外，TMD單獨(dú)使用時(shí)具有較低的硬度，限制了其在刀具切削加工等需要高承載力場(chǎng)合的應(yīng)用。
[0003]將TMD應(yīng)用在刀具涂層中可減小刀具與工件間的摩擦，改善刀具的切削性能。TMD的層狀結(jié)構(gòu)不僅使TMD涂層刀具具有自潤(rùn)滑作用，也使得TMD涂層刀具在切削加工過程中易被切肩帶走，TMD涂層過早磨損，使刀具基體暴露與工件接觸。通過在TMD涂層中加入N、Cr,Ni,Ti等其他元素合金化可不同程度的使TMD晶格發(fā)生畸變，TMD晶格錯(cuò)動(dòng)需要更大的能量，從而提高TMD涂層的耐磨性。
[0004]中國(guó)專利“申請(qǐng)?zhí)?201110081807.9”報(bào)道了硬質(zhì)合金刀具軟涂層的制備方法，但是由于采用溶膠-凝膠法原理制備了 MoS2軟涂層，涂層與基體的結(jié)合力較低，涂層硬度較低。文獻(xiàn)[Wear 258(2005)812-825]報(bào)道了采用磁控濺射方法制備的MoS2-Cr涂層，在Cr含量為13at.%時(shí)涂層硬度達(dá)到最大值為8.29GPa，但是并沒有在涂層中添入N、B等非金屬元素進(jìn)一步改善涂層性能。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種Mo-S-N-Cr自潤(rùn)滑梯度涂層刀具及其制備工藝，以克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足。該涂層刀具通過加入非金屬元素N和金屬元素Cr提高涂層硬度，通過將Mo-S-N-Cr層設(shè)計(jì)成梯度結(jié)構(gòu)，降低涂層內(nèi)應(yīng)力，提高涂層與基體結(jié)合力，使涂層既具有較高的硬度，又具有自潤(rùn)滑作用，從而使涂層刀具的切削性能得到改善。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的。
[0007]Mo-S-N-Cr自潤(rùn)滑梯度涂層刀具，刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，刀具表面為Mo-S-N-Cr梯度層，Mo-S-N-Cr梯度層與刀具基體之間為Cr過渡層。
[0008]Mo-S-N-Cr自潤(rùn)滑梯度涂層刀具制備工藝，沉積方式為電弧離子鍍沉積Cr過渡層+中頻磁控濺射沉積Mo-S-N-Cr梯度層，沉積時(shí)使用I個(gè)Cr電弧靶、2個(gè)Mo-S-Cr復(fù)合靶，其制備工藝步驟為:
[0009](I)制備Mo-S-Cr復(fù)合靶:用數(shù)控加工方法沿直徑為101.6mm、厚度為4.7mm的Cr靶的濺射區(qū)域中心位置均布加工10?15個(gè)沿圓周分布的盲孔，盲孔的直徑小于濺射區(qū)域的寬度，盲孔的深度為3_，在盲孔內(nèi)分別間隔放入與盲孔直徑相同、厚度為5_的Cr圓片、MoS2圓片；
[0010](2)安裝M0-S-Cr復(fù)合靶:在鍍膜機(jī)真空室中頻磁控濺射靶安裝位置安裝2個(gè)Mo-S-Cr復(fù)合靶；
[0011](3)前處理:將刀具基體表面拋光至鏡面，去除表面污染層，依次分別放入酒精和丙酮中，超聲清洗各15min，去除刀具表面油污和其他污染物，電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)真空室，抽真空至7.0X10_3Pa，加熱至100?250°C，保溫30?40min ；
[0012](4)離子清洗:通入Ar氣，氣壓為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓為800V，占空比為
0.2，輝光清洗15min ;降低偏壓至300?400V，氣壓降至0.5Pa，開啟離子源，開啟電弧源Cr革巴，革E電流調(diào)至55?65A，離子清洗2?3min ；
[0013](5)沉積Cr過渡層:偏壓降至150?200V，Cr靶電流調(diào)至65?100A，電弧鍍Cr5 ?7min ；
[0014](6)沉積Mo-S-N-Cr梯度層:關(guān)閉Cr勒，調(diào)整工作氣壓為0.6?0.7Pa，通入N2,調(diào)整N2初始流量為2?12sccm，N2流量時(shí)間變化間隔為10min、20min、30min、40min、50min，每個(gè)時(shí)間間隔隊(duì)流量增加2?12sccm，1流量最終增加至10?60sccm;調(diào)整Ar氣流量為60?70sccm ;偏壓降至100V，開啟2個(gè)Mo-S-Cr復(fù)合靶，Mo-S-Cr復(fù)合靶靶電流為
1.0?2.0A，每隔30min依次調(diào)整偏壓為100V、75V、50V、75V、100V，沉積Mo-S-N-Cr梯度層150min ；
[0015](7)后處理:關(guān)閉2個(gè)Mo-S-Cr復(fù)合靶，關(guān)閉離子源及氣體源，關(guān)閉脈沖偏壓，沉積涂層結(jié)束。
[0016]Mo-S-N-Cr梯度涂層中的N元素含量沿涂層厚度方向線性變化，在M0-S-N-Cr梯度涂層最外子層N元素含量達(dá)到最大值；
[0017]通過調(diào)整Mo-S-Cr復(fù)合靶中MoS2圓片的數(shù)量和調(diào)整通入\流量來調(diào)整Mo-S-N-Cr梯度涂層中Cr元素含量原子百分比、N元素含量原子百分比，使Mo-S-N-Cr梯度涂層中Cr元素含量最佳原子百分比在5?15%之間，N元素含量最佳原子百分比在5?40%之間。
[0018]通過上述工藝制備的Mo-S-N-Cr自潤(rùn)滑梯度涂層刀具，Mo-S-N-Cr梯度層與刀具基體之間為Cr過渡層，可減小殘余應(yīng)力，提高涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度。Mo-S-N-Cr自潤(rùn)滑梯度涂涂層刀具涂層硬度提高主要有以下機(jī)理:(I)Cr元素的加入使胃^晶格發(fā)生畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；(2)N元素、Cr元素的加入能在涂層沉積過程中生成CrN氮化物相。將Mo-S-N-Cr層設(shè)計(jì)成梯度結(jié)構(gòu)可以增加Mo-S-N-Cr層的韌性及Mo-S-N-Cr層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。
[0019]通過上述工藝制備的Mo-S-N-Cr自潤(rùn)滑梯度涂層刀具，在切削過程中刀具與工件間能連續(xù)形成一層MoS2固體潤(rùn)滑膜，使摩擦發(fā)生在MoS 2固體潤(rùn)滑膜內(nèi)部，從而減小摩擦。Mo-S-N-Cr自潤(rùn)滑梯度涂層刀具可降低切削力和切削溫度，減小刀具磨損，提高刀具使用壽命，可廣泛應(yīng)用于干切削和難加工材料的切削加工。
四、【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的Mo-S-N-Cr自潤(rùn)滑梯度涂層刀具涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021 ] 圖中:I為Mo-S-N-Cr梯度層I子層，2為Mo-S-N-Cr梯度層2子層，3為Mo-S-N-Cr梯度層3子層，4為Mo-S-N-Cr梯度層4子層，5為Mo-S-N-Cr梯度層5子層，6為Cr層、7為刀具基體。
[0022]圖2為本發(fā)明的Mo-S-Cr復(fù)合靶結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖中:8為MoS2圓片，9為Cr靶，10為Cr圓片。
五、【具體實(shí)施方式】
:
[0024]下面給出本發(fā)明的兩個(gè)最佳實(shí)施例:
[0025]實(shí)施例一:
[0026]Mo-S-N-Cr自潤(rùn)滑梯度涂層刀具及其制備工藝，刀具基體7為YS8硬質(zhì)合金車刀，刀具表面為Mo-S-N-Cr梯度層，Mo-S-N-Cr梯度層與刀具基體之間為Cr層6。沉積方式為電弧離子鍍沉積Cr過渡層+中頻磁控濺射沉積Mo-S-N-Cr梯度層。其制備工藝步驟如下:
[0027](I)制備Mo-S-Cr復(fù)合靶:用數(shù)控加工方法沿直徑為101.6mm、厚度為4.7mm的Cr革巴9的派射區(qū)域中心位置均布加工10?15個(gè)沿圓周分布的盲孔，盲孔的直徑為17_，盲孔的深度為3mm，在盲孔內(nèi)分別間隔放入直徑為17mm、厚度為5mm的Cr圓片10、MoS2圓片8 ；
[0028](2)安裝Mo-S-Cr復(fù)合靶:在鍍膜機(jī)真空室中頻磁控濺射靶安裝位置安裝2個(gè)Mo-S-Cr復(fù)合靶；
[0029](3)前處理:將YS8硬質(zhì)合金車刀刀具基體7表面拋光至鏡面，去除表面污染層，依次分別放入酒精和丙酮中，超聲清洗各15min，去除刀具表面油污和其他污染物，電吹風(fēng)干燥充分后迅速放入鍍膜機(jī)真空室，抽真空至7.0X 10_3Pa，加熱至150°C，保溫30min ；
[0030](4)離子清洗:通入Ar氣，氣壓為1.5Pa，開啟偏壓電源，電壓為800V，占空比為0.2，輝光清洗15min ;降低偏壓至300V，氣壓降至0.5Pa，開啟離子源，開啟電弧源Cr革巴，革巴電流調(diào)至55A，離子清洗2min ；
[0031](5)沉積Cr過渡層:偏壓降至150V，Cr靶電流調(diào)至65A，電弧鍍Cr 5min ；
[0032](6)沉積Mo-S-N-Cr梯度層:關(guān)閉Cr靶，調(diào)整工作氣壓為0.6?0.7Pa，通入N2,