CN110257822B - 一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具及其制备方法。该刀具基体材料为高速钢或硬质合金，基体表面为含有PbO、Mo、TiB2、BNNTs、CNTs和石墨烯的立方氮化硼涂层，涂层表面具有微织构；所述涂层采用等离子体真空喷涂方法制备。该刀具整体具有良好的韧性，BNNTs和CNTs的添加使得刀具表面立方氮化硼涂层具有良好的韧性、高的表面硬度和耐磨性；切削过程中，温度较低时，石墨烯能够起到润滑效果，高温时PbO、Mo和TiB2会发生原位反应，生成具有润滑效应的PbMoO4、TiO2、B2O3与微织构协同作用，从而能够减小切削过程中刀具摩擦磨损，提高刀具寿命。该刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工。

Description

一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具及其制备 方法
技术领域
本发明涉及机械切削刀具制造技术领域，特别涉及了一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具及其制备方法。
背景技术
干切削作为一种新兴的经济环保制造技术，已成为绿色加工的一个研究热点。然而，干切削时，前刀面上刀-屑之间的摩擦异常剧烈，导致了刀具的磨损加剧，寿命降低。因此，迫切需要研究开发新型刀具。自润滑刀具是指刀具材料本身具有润滑、减摩功能，可在无润滑液的条件下实现自润滑切削加工，从而减小刀具表面摩擦与磨损。
立方氮化硼(CBN)具有极高的硬度和耐高温性能，特别适用于淬硬钢、冷硬钢等难加工材料的切削加工。目前立方氮化硼刀具以高温高压烧结制备工艺为主，刀具整体韧性不足。相对于烧结的整体式立方氮化硼刀具，立方氮化硼涂层刀具大大节约了切削刀具的成本，因此立方氮化硼作为刀具涂层具有广阔的应用前景。然而，立方氮化硼涂层由于韧性不足导致性能下降。碳纳米管(CNTs)和氮化硼纳米管(BNNTs)具有强度大、韧性高、导热性好、弹性模量大等优点，常作为一种结构材料的增韧相。目前在立方氮化硼中添加纳米管进行增韧研究鲜有报道。
中国专利“申请号：201710709832.4”报道了一种聚晶立方氮化硼刀具材料及其制备方法，通过将立方氮化硼与结合剂混合粉体采用热压烧结和放电等离子体快速烧结方式进行制备，该方法制备刀具硬度较高，高温性能优良；但该刀具韧性有待于提高，且制备方法较为复杂、制备成本较高。中国专利“申请号：201610812045.8”公开了一种微织构ZrVSiN自适应涂层刀具及其制备工艺，该刀具微织构与ZrVSiN协同作用，减少切削过程中摩擦磨损。中国专利“申请号：02139629.9”报道了一种氮化硼复合涂层切削刀具及其制备方法，通过采用等离子脉冲激光沉积或电热丝辅助射频等离子体CVD方法等方法制备，该刀具表面涂层与基体具有较强的结合力，但其不具备自润滑能力。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具及其制备方法。该刀具具有高硬度、高耐磨性、良好的韧性，同时具有自润滑功效。切削过程中刀具表面能够形成润滑膜，与微织构协同作用，从而减小切削过程中刀具摩擦磨损，提高刀具寿命。
技术方案：本发明的一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具通过以下方式实现：
刀具基体材料为高速钢或硬质合金，基体表面沉积一种增韧补强原位反应式立方氮化硼自润滑涂层，所述涂层采用等离子体喷涂技术对立方氮化硼混合粉料进行熔覆制备，所述的立方氮化硼混合粉料中各成分重量百分比为：45-60％CBN、15-20％Ni60A、8-10％WC、3-6％PbO、3-6％Mo、3-8％TiB2、0.5-3％BNNTs、0.5-3％CNTs、0.5-2％石墨烯；熔覆完成后，在刀具表面加工出微织构。
本发明的一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)立方氮化硼层制备
(a)前处理：将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20-30min，进行去油污处理；
(b)预置氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，混合粉料中各成分重量百分比为：45-60％CBN、15-20％Ni60A、8-10％WC、3-6％PbO、3-6％Mo、3-8％TiB2、0.5-3％BNNTs、0.5-3％CNTs、0.5-2％石墨烯；将聚乙烯醇水溶液加入混合粉料中配置成稠状并预置于刀具基体前刀面，采用压强为1-5Mpa热等静压的方法将配置的稠状混合粉料压实，其厚度为50-2000μm，得到预置立方氮化硼混合粉料层；
(c)熔覆立方氮化硼层：将步骤(b)中得到的预置立方氮化硼层试样放在真空等离子体喷涂设备中，调整功率20-60kW，Ar气流量20-60L/min，H2气流量10-50L/min，采用等离子体对预置立方氮化硼层进行熔覆，得到立方氮化硼涂层；
(d)后处理：将步骤(c)得到的立方氮化硼涂层表面进行研磨修整。
2)微织构制备
采用激光加工技术在制备好的立方氮化硼涂层刀具表面加工出不同几何参数和分布形式的微织构，激光加工参数为：功率20-50W，扫描速度1-100mm/s，频率5-20kHz。
可对刀具基体表面进行至少一次预置和熔覆立方氮化硼层，研磨修整后的立方氮化硼涂层厚度为100-1500μm。
步骤2)中所制备的微织构为沟槽、圆孔、网格中一种或其几种组合，织构槽宽(或直径)为10-100μm，深度为5-100μm，间距为20-300μm。
有益效果：1、BNNTs和CNTs的添加使得刀具表面立方氮化硼涂层具有良好的韧性，高的硬度和耐磨性；2、切削过程中，温度较低时，石墨烯能够起到润滑效果，高温时PbO、Mo和TiB2会发生原位反应，生成具有润滑效应的PbMoO4、TiO2、B2O3与微织构协同作用，使得该刀具能够在较高的切削温度下具有良好的自润滑作用，从而能够减小切削过程中刀具摩擦磨损，提高刀具寿命；3、本发明涂层采用等离子体真空喷涂方法制备，制备效率高，制备过程避免氧化，涂层与基体间具有较强的结合强度；同时，涂层可以达到很大的厚度；4、该刀具可广泛应用于干切削和难加工材料的切削加工，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的微织构自润滑涂层刀具结构示意图，其中：1为刀具基体材料，2为立方氮化硼涂层，3为微织构。
具体实施方式
实施例1
一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具，刀具基体材料为高速钢，基体表面沉积一种增韧补强原位反应式立方氮化硼自润滑涂层，所述涂层采用等离子体喷涂技术对立方氮化硼混合粉料进行熔覆制备，所述的立方氮化硼混合粉料中各成分重量百分比为：50％CBN、18％Ni60A、10％WC、5％PbO、5％Mo、8％TiB2、2％BNNTs、1.5％CNTs、0.5％石墨烯；熔覆完成后，在刀具表面加工出微织构。
本发明的一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)立方氮化硼层制备
(a)前处理：将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20min，进行去油污处理；
(b)预置氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，混合粉料中各成分重量百分比为：50％CBN、18％Ni60A、10％WC、5％PbO、5％Mo、8％TiB2、2％BNNTs、1.5％CNTs、0.5％石墨烯；将聚乙烯醇水溶液加入混合粉料中配置成稠状并预置于刀具基体前刀面，采用压强为2Mpa热等静压的方法将配置的稠状混合粉料压实，其厚度为200μm，得到预置立方氮化硼混合粉料层；
(c)熔覆立方氮化硼层：将步骤(b)中得到的预置立方氮化硼层试样放在真空等离子体喷涂设备中，调整功率30kW，Ar气流量30L/min，H2气流量20L/min，采用等离子体对预置立方氮化硼层进行熔覆，得到立方氮化硼涂层；
(d)后处理：将步骤(c)得到的立方氮化硼涂层表面进行研磨修整，使得修整后的立方氮化硼涂层厚度为100μm。
2)微织构制备
采用激光加工技术在制备好的立方氮化硼涂层刀具表面加工出圆孔状微织构，圆孔直径为20μm，深度为50μm，间距为50μm；激光加工参数为：功率20W，扫描速度5mm/s，频率10kHz。
实施例2
一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具，刀具基体材料为硬质合金，基体表面沉积一种增韧补强原位反应式立方氮化硼自润滑涂层，所述涂层采用等离子体喷涂技术对立方氮化硼混合粉料进行熔覆制备，所述的立方氮化硼混合粉料中各成分重量百分比为：60％CBN、15％Ni60A、8％WC、3％PbO、3％Mo、5％TiB2、2％BNNTs、2％CNTs、2％石墨烯；熔覆完成后，在刀具表面加工出微织构。
本发明的一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：
1)立方氮化硼层制备
(a)前处理：将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各30min，进行去油污处理；
(b)预置氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，混合粉料中各成分重量百分比为：60％CBN、15％Ni60A、8％WC、3％PbO、3％Mo、5％TiB2、2％BNNTs、2％CNTs、2％石墨烯；将聚乙烯醇水溶液加入混合粉料中配置成稠状并预置于刀具基体前刀面，采用压强为5Mpa热等静压的方法将配置的稠状混合粉料压实，其厚度为2000μm，得到预置立方氮化硼混合粉料层；
(c)熔覆立方氮化硼层：将步骤(b)中得到的预置立方氮化硼层试样放在真空等离子体喷涂设备中，调整功率50kW，Ar气流量50L/min，H2气流量50L/min，采用等离子体对预置立方氮化硼层进行熔覆，得到立方氮化硼涂层；
(d)后处理：将步骤(c)得到的立方氮化硼涂层表面进行研磨修整，使得修整后的立方氮化硼涂层厚度为1500μm。
2)微织构制备
采用激光加工技术在制备好的立方氮化硼涂层刀具表面加工出沟槽状微织构，织构槽宽为50μm，深度为100μm，间距为150μm；激光加工参数为：功率20-50W，扫描速度1-100mm/s，频率5-20kHz。

Claims (4)

1.一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具，刀具基体材料为高速钢或硬质合金，其特征在于：刀具基体表面沉积一种增韧补强原位反应式立方氮化硼自润滑涂层，所述涂层采用等离子体喷涂技术对立方氮化硼混合粉料进行熔覆制备，所述的立方氮化硼混合粉料中各成分重量百分比为：45-60％CBN、15-20％Ni60A、8-10％WC、3-6％PbO、3-6％Mo、3-8％TiB2、0.5-3％BNNTs、0.5-3％CNTs、0.5-2％石墨烯；熔覆完成后，在刀具表面加工出微织构。
2.一种增韧补强原位反应式微织构自润滑涂层刀具的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)立方氮化硼层制备
(a)前处理：将刀具依次放在酒精和丙酮溶液中超声清洗各20-30min，进行去油污处理；
(b)预置氮化硼层：配置立方氮化硼混合粉料，混合粉料中各成分重量百分比为：45-60％CBN、15-20％Ni60A、8-10％WC、3-6％PbO、3-6％Mo、3-8％TiB2、0.5-3％BNNTs、0.5-3％CNTs、0.5-2％石墨烯；将聚乙烯醇水溶液加入混合粉料中配置成稠状并预置于刀具基体前刀面，采用压强为1-5Mpa热等静压的方法将配置的稠状混合粉料压实，其厚度为50-2000μm，得到预置立方氮化硼混合粉料层；
(c)熔覆立方氮化硼层：将步骤(b)中得到的预置立方氮化硼层试样放在真空等离子体喷涂设备中，调整功率20-60kW，Ar气流量20-60L/min，H2气流量10-50L/min，采用等离子体对预置立方氮化硼层进行熔覆，得到立方氮化硼涂层；
(d)后处理：将步骤(c)得到的立方氮化硼涂层表面进行研磨修整；
2)微织构制备
采用激光加工技术在制备好的立方氮化硼涂层刀具表面加工出不同几何参数和分布形式的微织构，激光加工参数为：功率20-50W，扫描速度1-100mm/s，频率5-20kHz。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：对刀具基体表面进行至少一次预置和熔覆立方氮化硼层，研磨修整后的立方氮化硼涂层厚度为100-1500μm。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所制备的微织构为沟槽、圆孔、网格中一种或其几种组合，织构槽宽或直径为10-100μm，深度为5-100μm，间距为20-300μm。
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