[发明专利]TiSiN-WS2/Zr-WS2涂层刀具及其制备工艺

说明书

一、技术领域

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别涉及一种涂层刀具及其制备工艺。

二、背景技术

TiSiN涂层作为一种超硬涂层，具有极高的硬度的同时，耐氧化性、耐磨性也非常突出，在刀具等方面已经得到了应用。但其摩擦系数较高，在摩擦过程中易出现高摩擦温度；在干切削加工中，易出现粘刀现象。WS₂、MoS₂、BN等“软”涂层具有非常低的摩擦系数，自润滑性非常好，但其硬度很低，切削过程中，在高应力、高温作用下，极易磨损，大大限制了其在刀具方面的应用。随着涂层技术的发展，多元化、多层化、复合化成为发展的趋势，使涂层能够整合多种单涂层的优点，显著提升涂层刀具的综合性能，满足不同应用环境的需要。

中国专利“申请号：200910256536.9”报道了采用物理气相沉积的方法周期性沉积多涂层刀具及其制备方法，该涂层每个周期包括TiN层到TiSiN层到TiAlSiN层到TiSiN层，涂层由多个周期叠加；该刀具涂层硬度、耐磨性等较高，在切削过程中可以提高刀具寿命，但其在干切削过程中摩擦系数还是较高。中国专利“申请号：200910256536.9”报道了ZrN+MoS₂软硬涂层刀具及其制备方法，该涂层刀具表面为MoS₂层，MoS₂层与刀具基体之间为Ti过渡层和ZrN硬涂层。该涂层刀具综合了ZrN涂层的高硬度、高耐磨性及MoS₂涂层的润滑性，一定程度上改善了刀具在干切削过程中的性能，但由于MoS₂涂层硬度低，在切削过程的高应力、高温环境下极易发生磨损，降低了其自润滑效果。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种TiSiN-WS₂/Zr-WS₂涂层刀具及其制备工艺，以克服上述现有技术的不足。该刀具涂层为多层结构，将TiSiN涂层的高硬度、高耐磨性和高温稳定性，与WS₂润滑性良好结合，使刀具性能有了较大提高。

本发明是通过以下方式实现的。

TiSiN-WS₂/Zr-WS₂涂层刀具，刀具基体材料为硬质合金，涂层为多层结构，由基体到刀具表面依次为：Ti+TiN过渡层、TiSiN层、TiN+Ti+Ti/Zr+Zr过渡层、WS₂/Zr层、WS₂层。涂层刀具综合了TiSiN“硬”涂层与WS₂“软”涂层的优点，使刀具性能大幅提高。

TiSiN-WS₂/Zr-WS₂涂层刀具的制备工艺，是采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法，其具体工艺步骤为：

(1)前处理：将刀具基体材料抛光至镜面，去除表面污染层，依次放入酒精和丙酮中，每次超声清洗15min，去除表面油污，充分干燥后放入镀膜机真空室，真空室本底真空7.0×10^-3Pa，加热至200℃，保温30～60min；

(2)离子清洗：通入Ar气，气压为1.5Pa，开启脉冲偏压电源，电压为800～900V，占空比0.2，辉光清洗15min，偏压降至200～300V，气压降至0.5Pa，开启离子源，开启电弧源Ti靶，电流调至65A，离子清洗2～3min；

(3)沉积过渡层Ti+TiN：偏压降至150V，电弧镀Ti5～7min，开启N₂，调整N₂流量为100-180sccm，镀制TiN5min；

(4)沉积TiSiN：调整工作气压为0.5～0.7Pa，偏压80V，开启中频Si靶电流3.5～4A，电弧镀+中频磁控溅射共沉积TiSiN120～140min；

(5)沉积过渡层TiN+Ti+Ti/Zr+Zr：关闭Si靶，沉积TiN5min，关闭N₂，沉积Ti5～7min，开启Zr靶，电流调至65A，镀Ti/Zr5～7min，关闭Ti靶，镀Zr5～7min；

(6)沉积WS₂/Zr层：开启WS₂中频靶，靶电流为0.5A，每隔5min升高靶电流0.1A，共沉积WS₂/Zr层100～120min；