CN112746248B - 一种宽温域自润滑涂层刀具及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种宽温域自润滑涂层刀具及其制备方法，该刀具在宽温域及交变温度范围内具有良好的自润滑能力，可实现刀具工作过程中的润滑，减小刀具磨损，提高刀具寿命。本发明实施例的宽温域自润滑涂层刀具，包括刀具基体和复合涂层，复合涂层沉积在所述刀具基体的表面；复合涂层包括第一涂层和第二涂层，第一涂层和第二涂层交替叠加；第一涂层为TiVZnC层，第二涂层为MoTeHfN层。该刀具在切削温度较低时，MoTeHfN涂层能够起到润滑作用，切削温度较高时，TiVZnC、MoTeHfN及空气中氧气会发生反应，生成具有高温润滑作用的ZnMoO4和V2O5化合物，从而能够起到润滑作用。该涂层刀具可广泛应用于金属材料的切削加工。

Description

一种宽温域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，具体来说，涉及一种宽温域自润滑涂层刀具及其制备方法。
背景技术
刀具切削过程存在较大摩擦磨损，产生很大的切削压力和摩擦热，故接触区处于高温、高压状态。切削液的使用具有冷却和润滑作用，然而，切削液具有环境污染、危害身体健康等缺点。自润滑刀具能够实现干切削过程中的润滑，然而，如何提高宽温度范围或交变温度条件下切削刀具润滑性能成为刀具切削过程存在的难题。对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，环境适应性润滑涂层已成为智能涂层刀具的重要研究方向。
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，该刀具切削过程中ZrVSiN涂层与空气中的氧气反应在刀具表面生成具有润滑作用的氧化膜，从而起到自润滑功效；然而其温度较低时润滑效果不明显。中国专利申请号201810575624.4公开了一种多层多元纳米复合自润滑硬质涂层及其制备方法和应用，该刀具将AlTiN和MoVCuN涂层结合，可实现一定宽温域范围的自润滑效果；然而其润滑效果有待于进一步提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种宽温域自润滑涂层刀具及其制备方法，该刀具在宽温域及交变温度范围内具有良好的润滑功效，可实现刀具干切削过程中的润滑，减小刀具磨损，提高刀具寿命。
为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种宽温域自润滑涂层刀具，包括刀具基体和复合涂层，所述复合涂层沉积在所述刀具基体的表面；所述复合涂层包括第一涂层和第二涂层，所述第一涂层和第二涂层交替叠加；所述第一涂层为TiVZnC层，所述第二涂层为MoTeHfN层。
作为本发明实施例的进一步改进，所述复合涂层包括至少5层第一涂层和至少5层第二涂层，第一涂层和第二涂层的单个层的厚度均小于等于100nm。
作为本发明实施例的进一步改进，所述第一涂层中，Ti元素原子百分比为30-50％，V元素原子百分比为10-20％，Zn元素原子百分比为5-15％，C元素原子百分比为20-40％，所述Ti、V、Zn、C元素原子百分比之和为100％。
作为本发明实施例的进一步改进，所述第二涂层中，Mo元素原子百分比为30-40％，Te元素原子百分比为30-40％，Hf元素原子百分比为8-12％，N元素原子百分比为10-20％，所述Mo、Te、Hf、N元素原子百分比之和为100％。
作为本发明实施例的进一步改进，所述刀具基体由高速钢、硬质合金或陶瓷制成。
另一方面，本发明实施例还提供一种制备上述宽温域自润滑涂层刀具的制备方法，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具基体表面制备TiVZnC与MoTeHfN交替分布的宽温域自润滑复合涂层；TiVZnC层采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备，工作气压为0.5-2.5Pa，偏压为100-300V，Ti靶电流为50-160A，VZnC靶电流为50-100A，沉积TiVZnC层3-5min；MoTeHfN层采用MoTe2靶、Hf靶和N2共沉积方法制备，工作气压为0.5-2.0Pa，偏压为100-120V，N2流量为50-80sccm，MoTe2靶电流为80-120A，Hf靶电流为30-50A，沉积MoTeHfN层5-8min；交替沉积TiVZnC层和MoTeHfN层，使复合涂层总厚度为1-4μm。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：1.本发明的涂层刀具在宽温域切削范围内具有良好的自润滑作用；温度较低时，MoTeHfN涂层能够起到润滑作用；切削温度较高时，TiVZnC、MoTeHfN及空气中氧气会发生反应，生成具有高温润滑作用的ZnMoO4和V2O5化合物，从而能够在高温切削下起到良好的润滑作用；2.TiVZnC+MoTeHfN叠层涂层提高了单一涂层的性能，增加了涂层刀具适用范围，MoTeHfN软涂层不仅具有自润滑性能，且具有高的硬度和良好的抗氧化性；3.该涂层刀具在宽温度范围或交变温度条件下均具有良好的润滑功效，可广泛应用于干切削及难加工材料的切削加工。
附图说明
图1为本发明实施例的宽温域自润滑涂层刀具的结构示意图。
图中：刀具基体1、第一涂层21、第二涂层22。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例1
一种宽温域自润滑涂层刀具，刀具基体材料为YT15硬质合金，刀具基体材料表面具有TiVZnC+MoTeHfN交替分布的宽温域自润滑叠层涂层。该叠层涂层含有5层TiVZnC层和5层MoTeHfN层，且TiVZnC与MoTeHfN单个层的厚度为100nm。
上述宽温域自润滑涂层刀具，TiVZnC涂层中Ti元素原子百分比为30％，V元素原子百分比为20％，Zn元素原子百分比为15％，C元素原子百分比为35％，所述Ti、V、Zn、C元素原子百分比之和为100％；MoTeHfN涂层中Mo元素原子百分比为30％，Te元素原子百分比为40％，Hf元素原子百分比为10％，N元素原子百分比为20％，所述Mo、Te、Hf、N元素原子百分比之和为100％。
本发明的一种宽温域自润滑涂层刀具的制备方法，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备TiVZnC与MoTeHfN交替分布的宽温域自润滑涂层；TiVZnC涂层采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备，工作气压为0.5Pa，偏压为150V，Ti靶电流为50A，VZnC靶电流为60A，沉积TiVZnC涂层5min；MoTeHfN涂层采用MoTe2靶、Hf靶和N2共沉积方法制备，工作气压为0.5Pa，偏压为100V，N2流量为50sccm，MoTe2靶电流90A，Hf靶电流30A，沉积MoTeHfN涂层8min；交替沉积TiVZnC和MoTeHfN涂层，使涂层总厚度为1μm。
实施例2
一种宽温域自润滑涂层刀具，刀具基体材料为Al2O3基陶瓷，刀具基体材料表面具有TiVZnC+MoTeHfN交替分布的宽温域自润滑叠层涂层。该叠层涂层含有40层TiVZnC层和40层MoTeHfN层，且TiVZnC与MoTeHfN单个层的厚度为50nm。
本发明的一种宽温域自润滑涂层刀具，TiVZnC涂层中Ti元素原子百分比为50％，V元素原子百分比为10％，Zn元素原子百分比为10％，C元素原子百分比为30％，所述Ti、V、Zn、C元素原子百分比之和为100％；MoTeHfN涂层中Mo元素原子百分比为40％，Te元素原子百分比为40％，Hf元素原子百分比为8％，N元素原子百分比为12％，所述Mo、Te、Hf、N元素原子百分比之和为100％。
本发明的一种宽温域自润滑涂层刀具的制备方法，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备TiVZnC与MoTeHfN交替分布的宽温域自润滑涂层；TiVZnC涂层采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备，工作气压为2Pa，偏压为300V，Ti靶电流为150A，VZnC靶电流为80A，沉积TiVZnC涂层3min；MoTeHfN涂层采用MoTe2靶、Hf靶和N2共沉积方法制备，工作气压为2.0Pa，偏压为120V，N2流量为60sccm，MoTe2靶电流为100A，Hf靶电流为50A，沉积MoTeHfN涂层6min；交替沉积TiVZnC和MoTeHfN涂层，使涂层总厚度为4μm。
实施例3
一种宽温域自润滑涂层刀具，刀具基体材料为YT15硬质合金，刀具基体材料表面具有TiVZnC+MoTeHfN交替分布的宽温域自润滑叠层涂层。该叠层涂层含有10层TiVZnC层和10层MoTeHfN层，且TiVZnC与MoTeHfN单个层的厚度为100nm。
上述宽温域自润滑涂层刀具，TiVZnC涂层中Ti元素原子百分比为45％，V元素原子百分比为20％，Zn元素原子百分比为15％，C元素原子百分比为20％，所述Ti、V、Zn、C元素原子百分比之和为100％；MoTeHfN涂层中Mo元素原子百分比为40％，Te元素原子百分比为38％，Hf元素原子百分比为12％，N元素原子百分比为10％，所述Mo、Te、Hf、N元素原子百分比之和为100％。
本发明的一种宽温域自润滑涂层刀具的制备方法，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备TiVZnC与MoTeHfN交替分布的宽温域自润滑涂层；TiVZnC涂层采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备，工作气压为2.5Pa，偏压为100V，Ti靶电流为160A，VZnC靶电流为50A，沉积TiVZnC涂层4min；MoTeHfN涂层采用MoTe2靶、Hf靶和N2共沉积方法制备，工作气压为1.0Pa，偏压为100V，N2流量为80sccm，MoTe2靶电流80A，Hf靶电流40A，沉积MoTeHfN涂层5min；交替沉积TiVZnC和MoTeHfN涂层，使涂层总厚度为2μm。
实施例4
一种宽温域自润滑涂层刀具，刀具基体材料为Al2O3基陶瓷，刀具基体材料表面具有TiVZnC+MoTeHfN交替分布的宽温域自润滑叠层涂层。该叠层涂层含有100层TiVZnC层和100层MoTeHfN层，且TiVZnC与MoTeHfN单个层的厚度为15nm。
本发明的一种宽温域自润滑涂层刀具，TiVZnC涂层中Ti元素原子百分比为40％，V元素原子百分比为15％，Zn元素原子百分比为5％，C元素原子百分比为40％，所述Ti、V、Zn、C元素原子百分比之和为100％；MoTeHfN涂层中Mo元素原子百分比为38％，Te元素原子百分比为30％，Hf元素原子百分比为12％，N元素原子百分比为20％，所述Mo、Te、Hf、N元素原子百分比之和为100％。
本发明的一种宽温域自润滑涂层刀具的制备方法，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具表面制备TiVZnC与MoTeHfN交替分布的宽温域自润滑涂层；TiVZnC涂层采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备，工作气压为1Pa，偏压为200V，Ti靶电流为100A，VZnC靶电流为100A，沉积TiVZnC涂层5min；MoTeHfN涂层采用MoTe2靶、Hf靶和N2共沉积方法制备，工作气压为2.0Pa，偏压为110V，N2流量为60sccm，MoTe2靶电流为120A，Hf靶电流为40A，沉积MoTeHfN涂层7min；交替沉积TiVZnC和MoTeHfN涂层，使涂层总厚度为3μm。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种宽温域自润滑涂层刀具，其特征在于，包括刀具基体(1)和复合涂层，所述复合涂层沉积在所述刀具基体(1)的表面；所述复合涂层包括第一涂层(21)和第二涂层(22)，所述第一涂层(21)和第二涂层(22)交替叠加；所述第一涂层(21)为TiVZnC层，所述第二涂层(22)为MoTeHfN层；
所述第一涂层(21)中，Ti元素原子百分比为30-50％，V元素原子百分比为10-20％，Zn元素原子百分比为5-15％，C元素原子百分比为20-40％，所述Ti、V、Zn和C元素原子百分比之和为100％；
所述第二涂层(22)中，Mo元素原子百分比为30-40％，Te元素原子百分比为30-40％，Hf元素原子百分比为8-12％，N元素原子百分比为10-20％，所述Mo、Te、Hf和N元素原子百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的宽温域自润滑涂层刀具，其特征在于，所述复合涂层包括至少5层第一涂层(21)和至少5层第二涂层(22)，第一涂层(21)和第二涂层(22)的单个层的厚度均小于等于100nm。
3.根据权利要求1所述的宽温域自润滑涂层刀具，其特征在于，所述刀具基体(1)由高速钢、硬质合金或陶瓷制成。
4.一种制备权利要求1-3任意一项所述的宽温域自润滑涂层刀具的制备方法，其特征在于，采用多弧离子镀+中频磁控溅射共沉积的方法在刀具基体表面制备TiVZnC与MoTeHfN交替分布的宽温域自润滑复合涂层；TiVZnC层采用Ti靶和VZnC靶共沉积方法制备，工作气压为0.5-2.5Pa，偏压为100-300V，Ti靶电流为50-160A，VZnC靶电流为50-100A，沉积TiVZnC层3-5min；
MoTeHfN层采用MoTe2靶、Hf靶和N2共沉积方法制备，工作气压为0.5-2.0Pa，偏压为100-120V，N2流量为50-80sccm，MoTe2靶电流为80-120A，Hf靶电流为30-50A，沉积MoTeHfN层5-8min；交替沉积TiVZnC层和MoTeHfN层，使复合涂层总厚度为1-4μm。
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