微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具及其制備工藝制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)屬于機(jī)械切削刀具制造技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具及其制備工藝。該刀具基體材料為陶瓷或硬質(zhì)合金，刀具前刀面基體上加工有微織構(gòu)，刀具表面涂層從上到下依次為ZrVSiN自適應(yīng)涂層，Zr過(guò)渡層。ZrVSiN自適應(yīng)涂層的應(yīng)用可以在切削過(guò)程中V與空氣中的氧氣反應(yīng)在刀具表面形成一層具有潤(rùn)滑作用的VO2、V2O3、V2O5等氧化釩生成物，且隨著溫度的升高大量生成V2O5玻璃相的釉質(zhì)層，從而減少刀?屑接觸區(qū)的摩擦，在500℃以上時(shí)V2O5為液態(tài)相，微織構(gòu)可以存儲(chǔ)V2O5液相潤(rùn)滑劑，防止具有潤(rùn)滑作用的氧化釩生成物的流失。該刀具可廣泛應(yīng)用于干切削和難加工材料的切削加工。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一、
本專利技術(shù)屬于機(jī)械切削刀具制造
，特別是涉及一種ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具及其制備工藝。二、
技術(shù)介紹
隨著綠色制造技術(shù)的興起，人們逐漸認(rèn)識(shí)到干切削可以改善工人的工作環(huán)境，并且由于廢棄了切削液的使用，大大降低了切削液的使用成本與廢液的處理成本。在干切削加工中，刀具沒(méi)有了切削液的冷卻及潤(rùn)滑，加工條件惡劣，造成刀具磨損嚴(yán)重，刀具壽命降低。因此，為適應(yīng)干切削加工的要求，需設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)刀具，來(lái)改善刀具加工工件過(guò)程中的工況條件。表面織構(gòu)技術(shù)是一種有效的改善摩擦副表面摩擦工況的方法，常用的織構(gòu)加工技術(shù)主要有機(jī)械加工、光刻加工、離子束刻蝕加工和激光加工等。其中激光加工織構(gòu)具有加工速度快、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)受到廣泛推廣。具有凹坑或溝槽等形貌的織構(gòu)可以貯存潤(rùn)滑劑，提高潤(rùn)滑劑停留時(shí)間，還可以捕捉磨粒，減少接觸副間的磨粒磨損，從而改善機(jī)械部件的摩擦性能。對(duì)刀具表面進(jìn)程涂層處理可以有效提高刀具的抗磨損性能和切削加工性能，常用的涂層主要有TiN、Al2O3等二元涂層及TiAlN、AlCrN等三元涂層。通過(guò)在涂層中添加Ti和Al組元或者Al和Cr組元可以形成固溶強(qiáng)化，從而提高涂層的硬度。而Si元素的加入則可以形成納米復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)，從而提高涂層的硬度和抗沖擊性能。在切削加工過(guò)程中，Al、V等金屬元素的氧化物，則可以在刀具表面形成一層保護(hù)膜，進(jìn)一步提高涂層抗高溫、減少摩擦等性能，大大擴(kuò)展了涂層刀具的使用范圍。中國(guó)專利“申請(qǐng)?zhí)枺?01010124734.2”報(bào)道了微納復(fù)合織構(gòu)化刀具的飛秒激光制備方法，由于飛秒激光能量密度低，引起了加工時(shí)間長(zhǎng)、加工成本高的問(wèn)題。中國(guó)專利“申請(qǐng)?zhí)枺?span style='display:none'>201210132248.4”報(bào)道了一種用于寬溫域自適應(yīng)的潤(rùn)滑涂層及其制備方法，在室溫中通過(guò)TiAlCN/a-C層進(jìn)行潤(rùn)滑，在高溫中通過(guò)Ag/VN涂層進(jìn)行潤(rùn)滑，該專利技術(shù)主要用于交變溫度場(chǎng)環(huán)境。三、
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具及其制備工藝。本專利技術(shù)使用PVD涂層技術(shù)沉積ZrVSiN層，通過(guò)加入V元素可以在刀具涂層表面生成氧化釩的潤(rùn)滑膜保護(hù)層，提高涂層的潤(rùn)滑性能，并在500℃以上的高溫中生成V2O5液相潤(rùn)滑膜，進(jìn)一步提高涂層的潤(rùn)滑性能；通過(guò)加入Si元素可以在涂層中生成非晶態(tài)的Si3N4相，從而形成納米復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)，提高涂層的硬度和抗磨損性能；通過(guò)V元素、Zr元素的同時(shí)加入則可以形成ZrVN的間隙固溶體，從而起到固溶強(qiáng)化的作用，提高涂層的硬度。而微織構(gòu)的加入則可以起到存貯切削過(guò)程中生成的氧化釩潤(rùn)滑膜保護(hù)層，防止氧化釩潤(rùn)滑膜保護(hù)層被切屑帶走，起到延長(zhǎng)氧化釩潤(rùn)滑膜保護(hù)層停留時(shí)間的作用。本專利技術(shù)是通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)的：微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具，刀具基體材料為陶瓷或硬質(zhì)合金，刀具前刀面基體上加工有微米織構(gòu)，刀具表面涂層從上到下依次為ZrVSiN自適應(yīng)涂層、Zr過(guò)渡層。微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具及其制備工藝，首先采用Nd:YAG納秒激光在刀具前刀面加工微米織構(gòu)，然后采用多弧離子鍍+中頻磁控濺射技術(shù)在刀具表面沉積Zr過(guò)渡層、ZrVSiN自適應(yīng)涂層；ZrV合金靶中V元素原子百分比在40-70at.％之間，通過(guò)調(diào)節(jié)N2流量、Si靶靶電流和ZrV合金靶靶電流使ZrVSiN涂層中Si元素原子百分比在3-10at.％之間，Zr與V元素原子百分比比值在0.5-1.5之間。微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具的具體制備工藝步驟如下：(一)在刀具前刀面加工微米織構(gòu)(1)前處理：將刀具基體表面研磨并拋光至鏡面，去除表面污染物，依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，去除表面油污和其他污物并充分干燥：(2)采用Nd:YAG固體激光在刀具前刀面刀屑接觸區(qū)加工出不同形貌的微米織構(gòu)，微米織構(gòu)的寬度為30-60μm，深度為10-50μm；用鋼絲球輕輕刮擦刀具前刀面，去除微米織構(gòu)周圍激光燒蝕產(chǎn)生的凸緣；(二)在微織構(gòu)刀具表面沉積ZrVSiN自適應(yīng)涂層(1)前處理：將微織構(gòu)刀具依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，去除表面污染層，充分干燥后迅速放入鍍膜機(jī)真空室，真空室本底真空為6.0×10-3Pa，加熱至100-200℃，保溫30-60min；(2)離子清洗：通入Ar氣，氣壓為1.5Pa，開(kāi)啟脈沖偏壓電源，電壓為800V，占空比為0.2，輝光清洗15-20min，偏壓降至300-400V，氣壓降至0.5Pa，開(kāi)啟離子源，開(kāi)啟電弧源Zr靶，電流調(diào)至60-65A，離子清洗2-3min；(3)沉積Zr過(guò)渡層：降低偏壓至150-200V，Zr靶電流調(diào)至70-75A，電弧鍍Zr5-7min；(4)沉積ZrVSiN自適應(yīng)層：調(diào)整工作氣壓為0.4-0.5Pa，偏壓為50-100V，關(guān)閉Zr靶，開(kāi)啟ZrV合金靶，靶電流為65-75A，開(kāi)啟N2，調(diào)整Ar流量為39sccm，調(diào)整N2流量為26-65sccm，使N2分壓RN2在40-65％之間，開(kāi)啟Si中頻靶，調(diào)節(jié)Si靶電流在2-5A之間，電弧鍍ZrVSiN層150-180min；(5)后處理：關(guān)閉ZrV合金靶，關(guān)閉Si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。本專利技術(shù)的微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具主要在以下四方面提高刀具的自適應(yīng)性能：(1)Si元素的加入可以在涂層中生成非晶態(tài)的Si3N4相，從而形成納米復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)，提高涂層的硬度和抗磨損性能；(2)V元素、Zr元素的同時(shí)加入可以形成ZrVN間隙固溶體，從而起到固溶強(qiáng)化、提高涂層硬度的作用；(3)V元素可以在刀具涂層表面生成氧化釩的潤(rùn)滑膜保護(hù)層，提高涂層的潤(rùn)滑性能，并在500℃以上的高溫中生成V2O5液相潤(rùn)滑膜，進(jìn)一步提高涂層的潤(rùn)滑性能，從而適應(yīng)干切削加工中刀-屑接觸區(qū)加工溫度高，摩擦系數(shù)大、磨損嚴(yán)重等工況條件；(4)微織構(gòu)的加入則可以起到存貯切削過(guò)程中生成的氧化釩潤(rùn)滑膜保護(hù)層，防止氧化釩潤(rùn)滑膜保護(hù)層被切屑帶走，起到延長(zhǎng)氧化釩潤(rùn)滑膜保護(hù)層停留時(shí)間的作用。本專利技術(shù)的微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具結(jié)合了微織構(gòu)貯存潤(rùn)滑劑和ZrVSiN自適應(yīng)涂層硬度高、耐磨性好、高溫氧化產(chǎn)物具有潤(rùn)滑性能等優(yōu)點(diǎn)，使刀具表面在干切削加工中具有較高的硬度和較低的摩擦系數(shù)，從而減小摩擦，減小刀具磨損，提高刀具使用壽命，可廣泛應(yīng)用于難加工材料的干切削加工及高速加工等。四、附圖說(shuō)明圖1是本專利技術(shù)的微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具結(jié)構(gòu)示意圖。圖中：1為后刀面，2為前刀面，3為Zr過(guò)渡層+ZrVSiN自適應(yīng)層，4為微米織構(gòu)。圖2是本專利技術(shù)的微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具前刀面示意圖。圖中：5為主切削刃，6為溝槽型微米織構(gòu)，7為前刀面。五、具體實(shí)施方式：下面給出本專利技術(shù)的兩個(gè)最佳實(shí)施例：實(shí)施例一：微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具，刀具基體材料為Al2O3基陶瓷車刀，刀具前刀面基體上加工有微米織構(gòu)，刀具表面涂層從上到下依次為ZrVSiN自適應(yīng)涂層、Zr過(guò)渡層。微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具及其制備工藝，首先采用Nd:YAG納秒激光在刀具前刀面加工微米織構(gòu)，然后采用多弧離子鍍+中頻磁控濺射技術(shù)在刀具表面沉積Zr過(guò)渡層、ZrVSiN自適應(yīng)涂層；ZrV合金靶中V元素原子百分比在40at.％之間，通過(guò)調(diào)節(jié)N2流量、Si靶靶電流和ZrV合金靶靶電流使ZrVSiN涂層中Si元素原本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具，刀具基體材料為陶瓷或硬質(zhì)合金，其特征在于：刀具前刀面基體上加工有微米織構(gòu)，刀具表面涂層從上到下依次為ZrVSiN自適應(yīng)涂層、Zr過(guò)渡層。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具，刀具基體材料為陶瓷或硬質(zhì)合金，其特征在于：刀具前刀面基體上加工有微米織構(gòu)，刀具表面涂層從上到下依次為ZrVSiN自適應(yīng)涂層、Zr過(guò)渡層。2.權(quán)利要求1所述的微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具，其特征在于：首先采用Nd:YAG納秒激光在刀具前刀面加工微米織構(gòu)，然后采用多弧離子鍍+中頻磁控濺射技術(shù)在刀具表面沉積Zr過(guò)渡層、ZrVSiN自適應(yīng)涂層；ZrV合金靶中V元素原子百分比在40-70at.％之間，通過(guò)調(diào)節(jié)N2流量、Si靶靶電流和ZrV合金靶靶電流使ZrVSiN涂層中Si元素原子百分比在3-10at.％之間，Zr與V元素原子百分比比值在0.5-1.5之間。微織構(gòu)ZrVSiN自適應(yīng)涂層刀具的具體制備工藝步驟如下：(一)在刀具前刀面加工微米織構(gòu)(1)前處理：將刀具基體表面研磨并拋光至鏡面，去除表面污染物，依次放入酒精和丙酮中，超聲清洗各20min，去除表面油污和其他污物并充分干燥；(2)采用Nd:YAG固體激光在刀具前刀面刀屑接觸區(qū)加工出不同形貌的微米織構(gòu)，微米織構(gòu)的寬度為30-60μm，深度為10-50μm；用鋼絲球輕輕刮擦刀具前刀面，去除微米織構(gòu)周圍激光燒蝕產(chǎn)生的凸緣；...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孟榮，鄧建新，劉亞運(yùn)，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：山東大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：山東;37