[发明专利]W-S-C-Zr自润滑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，特别是涉及一种W-S-C-Zr自润滑涂层刀具及其制备工艺。

二、背景技术

在干切削加工时，由于没有切削液的冷却及润滑，刀具与工件间会产生大量的切削热，使加工条件恶化。自润滑涂层刀具是改善干切削时刀具摩擦状态的一种有效方法。目前常用的自润滑涂层主要有以下几种：(1)涂层本身摩擦系数低，具有自润滑作用，该类涂层又可分为DLC、CN_x类涂层等硬涂层和MoS₂、WS₂类涂层等软涂层；(2)涂层摩擦生成的产物摩擦系数低，具有自润滑作用，主要是指TiAlVN类涂层。其中MoS₂、WS₂类涂层能在刀屑、刀工接触区生成具有层状结构的转移膜，润滑效果良好。但是MoS₂、WS₂本身具有的层状结构使该类涂层硬度较低，不能很好的满足自润滑的要求。在MoS₂、WS₂涂层中加入Ti、Cu、Cr等金属元素以及C、N等非金属元素可提高MoS₂、WS₂涂层的硬度。

中国专利“申请号200610068975.3”报道了自润滑复合软涂层刀具及其制备方法，它是在刀具表面涂覆MoS₂/Zr/Ti复合涂层来实现刀具的自润滑，但是这种涂层的硬度较低，自润滑涂层的有效作用时间比较短。文献[Tribology International 47(2012)188-193]报道了在钢基体表面涂覆W-S-C涂层来制备自润滑涂层，但是并没有在涂层中加入Cr、Ti等金属元素，涂层硬度提高有限，仍难满足切削加工要求。

三、发明内容

本发明的目的是克服现有MoS₂、WS₂类自润滑涂层硬度较低的不足，提供一种W-S-C-Zr自润滑涂层刀具及其制备工艺。

W-S-C-Zr自润滑涂层刀具通过加入金属元素Zr和非金属元素C，提高WS₂涂层硬度，涂层硬度提高机理主要有以下方面：(1)Zr元素的加入使WS₂晶格发生畸变，产生固溶强化；(2)C元素的加入使WS₂晶格发生畸变，产生固溶强化；(3)C元素的加入能与WS₂中的W元素生成WC硬质和金相；(4)C元素、Zr元素的加入能在涂层沉积过程中生成ZrC硬质合金相。W-S-C-Zr自润滑涂层刀具在保证自润滑作用的同时具有较高的硬度，提高涂层刀具的切削性能；制备工艺能方便地生产出W-S-C-Zr自润滑涂层刀具。

本发明的目的是以如下方式实现的：W-S-C-Zr自润滑涂层刀具，刀具基体材料为高速钢或硬质合金，刀具表面为W-S-C-Zr自润滑涂层，W-S-C-Zr自润滑涂层与刀具基体之间为Zr过渡层。

制备所述的W-S-C-Zr自润滑涂层刀具的方法是：沉积方式为多弧离子镀沉积Zr过渡层+中频溅射沉积W-S-C-Zr自润滑涂层，其制备工艺步骤为：

(1)制备W-S-C-Zr复合靶：用数控加工方法在直径为101.6mm、厚度为5mm的C靶的溅射区域中心位置均布加工出10～15个沿圆周分布的盲孔，盲孔的直径小于溅射区域的宽度，盲孔的深度为3mm；在加工的盲孔内间隔放入与盲孔直径相同、厚度为5mm的C圆片、WS₂圆片和Zr圆片；

(2)在镀膜机中频磁控溅射靶安装位置安装一个Zr电弧靶，两个W-S-C-Zr复合靶；

(3)前处理：将刀具基体表面抛光至镜面，去除表面污染物，依次放入酒精和丙酮中，超声清洗各25min，去除刀具表面的油污，充分干燥后迅速放入镀膜机真空室中，抽真空使真空室本底真空为7.0×10^-3Pa，加热至150～250℃，保温30min；

(4)离子清洗：通Ar气，气压为1.5Pa，开启脉冲偏压电源，电压为800V，占空比为0.2，辉光放电清洗15min；降低偏压至300V，占空比为0.2，气压降至0.5Pa，开启离子源，开启电弧源Zr靶，电流调至60～65A，离子清洗2～3min；

(5)沉积Zr过渡层：Zr靶电流调至70～75A，电弧镀Zr 3～5min；