一种自润滑硬质涂层及其制备方法和应用

1.本发明涉及切削刀具表面处理技术领域，具体涉及一种自润滑硬质涂层及其制备方法和应用。


背景技术：

2.不锈钢、钛合金、铝合金等是市面上常见的轻质、高比强度材料，这些材料在加工过程中呈现出加工硬化率高、加工温度高、磨损率高等特点，因而被称为难加工材料。目前，在切削加工这类材料时为了降低加工温度和减少磨损，通常采用的方法是在切削过程中使用大量的切削液，该方法不仅会增加切削加工成本，而且还会造成环境污染。因此，需要利用干切削来减少切削液的使用，那么切削刀具表面润滑涂层的开发便显得尤为重要。
3.二元涂层tin是最早应用在切削刀具上的表面涂层，其具有硬度较高、耐磨性较好、抗氧化性较好等优点，在切削刀具上得到了广泛应用。然而，随着干切削和高速切削技术的快速发展，人们对切削刀具的性能需求不断提高，现有的二元涂层tin已经无法完全满足日益增长的实际应用要求。
4.因此，开发一种超高硬度、低摩擦系数的自润滑硬质涂层具有十分重要的意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种自润滑硬质涂层及其制备方法和应用。
6.本发明所采取的技术方案是：
7.一种自润滑硬质涂层，其包括依次设置在硬质基体表面的cr过渡层和ti-mo-si-n层。
8.优选的，所述cr过渡层的厚度为100nm～200nm。
9.优选的，所述ti-mo-si-n层的厚度为2μm～3μm。
10.优选的，所述ti-mo-si-n层中ti、mo、si的原子比为8:1:1。
11.一种如上所述的自润滑硬质涂层的制备方法包括以下步骤：
12.1)将硬质基体抛光，再进行超声清洗、干燥、预热和氩气等离子清洗，得到预处理的硬质基体；
13.2)采用铬靶在氩气气氛中通过电弧离子镀在预处理的硬质基体表面制备cr过渡层；
14.3)采用钛钼硅靶在氮气气氛中通过电弧离子镀在cr过渡层表面制备ti-mo-si-n层，即得自润滑硬质涂层。
15.优选的，步骤1)所述硬质基体为硬质合金基体、高速钢基体、模具钢基体、陶瓷基体中的一种。
16.优选的，步骤1)所述超声清洗采用的溶剂为酒精，清洗时间为5min～15min。
17.优选的，步骤1)所述干燥在100℃～200℃下进行，干燥时间为10min～20min。
18.优选的，步骤1)所述预热的温度为150℃～170℃，预热的时间为50min～70min。
19.优选的，步骤2)所述铬靶的纯度大于99.95％。
20.优选的，步骤2)所述电弧离子镀在氩气压力为0.3pa～0.4pa、靶电流为60a～80a的条件下进行，电弧离子镀的时间为5min～10min。
21.优选的，步骤3)所述钛钼硅靶的纯度大于99.95％。
22.优选的，步骤3)所述电弧离子镀在氮气压力为0.5pa～1.3pa、靶电流为80a～100a的条件下进行，电弧离子镀的时间为50min～70min。
23.一种切削刀具，其包含上述自润滑硬质涂层。
24.本发明的有益效果是：本发明的自润滑硬质涂层具有超高硬度和低摩擦系数，含有该自润滑硬质涂层的切削刀具适合用于不锈钢、钛合金、铝合金等难加工材料的干切削加工。
25.具体来说：
26.1)本发明的自润滑硬质涂层中掺杂有硅元素，使得涂层的硬度显著提高，具有超高硬度；
27.2)本发明的自润滑硬质涂层中掺杂有硅元素和钼元素，其在摩擦磨损过程中可以形成具有自润滑作用的moo
x
和sio
x
或si(oh)
x
，可以使涂层的摩擦系数显著下降。
附图说明
28.图1为实施例1的自润滑硬质涂层的截面的sem图。
29.图2为实施例1的自润滑硬质涂层的纳米压痕加载-卸载曲线。
30.图3为实施例1的自润滑硬质涂层中的ti-mo-si-n层的xrd图。
31.图4为实施例2的自润滑硬质涂层的摩擦系数-时间关系曲线。
32.图5为实施例2的自润滑硬质涂层的3d形貌图和磨损轨道的横截面深度曲线。
33.图6为实施例3的自润滑硬质涂层的划痕图。
具体实施方式
34.下面结合具体实施例对本发明作进一步的解释和说明。
35.实施例1：
36.一种自润滑硬质涂层，其制备方法包括以下步骤：
37.1)将yg6x钨钢基体依次用w5金刚石抛光膏和w2.5金刚石抛光膏进行抛光，再用酒精超声清洗10min，再100℃干燥15min，再160℃预热1h，再放入电弧离子镀装置中，打开粗抽阀抽真空至90pa，再打开罗茨泵抽真空至3pa以下，再打开精抽阀和主阀抽真空至7
×
10-3
pa以下，达到本底真空，再通入氩气至氩气气压为0.5pa，再在脉冲负偏压为500v、占空比为60％的条件下进行5min氩气等离子清洗，得到预处理的yg6x钨钢基体；
38.2)调整氩气气压至0.3pa，采用铬靶(纯度大于99.95％)在弧电流为75a、负偏压为100v的条件下进行10min电弧离子镀，在预处理的yg6x钨钢基体表面形成cr过渡层；
39.3)抽真空至本底真空，再通入氮气至氮气气压为1.1pa，采用钛钼硅靶(纯度大于99.95％，ti、mo、si的原子比为8:1:1)在弧电流为100a、负偏压为150v的条件下进行60min电弧离子镀，在cr过渡层表面形成ti-mo-si-n层，再冷却至80℃以下，即得自润滑硬质涂层。
40.性能测试：
41.1)本实施例的自润滑硬质涂层的截面的扫描电镜(sem)图如图1所示。
42.由图1可知：本实施例的自润滑硬质涂层呈现细晶粒生长的微观结构，cr过渡层的厚度约160nm，ti-mo-si-n层的厚度约2.5μm。
43.2)本实施例的自润滑硬质涂层的纳米压痕加载-卸载曲线(测试过程：利用压头在极小的载荷下压入样品表面，通过传感器与软件拟合获得样品的压入载荷-压入深度曲线，再利用该曲线计算样品相关的力学性能)如图2所示。
44.由图2可知：本实施例的自润滑硬质涂层的压痕深度不超过涂层厚度的1/10，涂层的硬度超过45gpa，具有超高硬度，远高于timon涂层的36.2gpa(电弧离子镀制备timon涂层及其性能研究)，硬度提升了超过30％，且高于tisin纳米涂层的42gpa(deposition of tisin coatings by arc ion plating process)，这是由晶粒尺寸减小引起的细晶强化造成的。
45.3)本实施例的自润滑硬质涂层中的ti-mo-si-n层的x射线衍射(xrd)图如图3所示。
46.由图3可知：ti-mo-si-n层的择优取向为(111)晶面和(200)晶面，两个择优取向会使材料在塑性变形更加困难，材料的硬度提高。
47.实施例2：
48.一种自润滑硬质涂层，其制备方法包括以下步骤：
49.1)将yg6x钨钢基体依次用w5金刚石抛光膏和w2.5金刚石抛光膏进行抛光，再用酒精超声清洗10min，再100℃干燥15min，再160℃预热1h，再放入电弧离子镀装置中，打开粗抽阀抽真空至90pa，再打开罗茨泵抽真空至3pa以下，再打开精抽阀和主阀抽真空至7
×
10-3
pa以下，达到本底真空，再通入氩气至氩气气压为0.5pa，再在脉冲负偏压为500v、占空比为60％的条件下进行5min氩气等离子清洗，得到预处理的yg6x钨钢基体；
50.2)调整氩气气压至0.3pa，采用铬靶(纯度大于99.95％)在弧电流为75a、负偏压为100v的条件下进行10min电弧离子镀，在预处理的yg6x钨钢基体表面形成cr过渡层；
51.3)抽真空至本底真空，再通入氮气至氮气气压为0.6pa，采用钛钼硅靶(纯度大于99.95％，ti、mo、si的原子比为8:1:1)在弧电流为100a、负偏压为150v的条件下进行60min电弧离子镀，在cr过渡层表面形成ti-mo-si-n层，再冷却至80℃以下，即得自润滑硬质涂层。
52.性能测试：
53.1)经测试(测试方法同实施例1)，本实施例的自润滑硬质涂层的硬度为41gpa，具有超高硬度；
54.2)本实施例的自润滑硬质涂层的摩擦系数-时间关系曲线(测试过程：通过10n的砝码加载，使直径为4mm的实心al2o3与涂层样品对磨，磨痕长度为5mm，摩擦速度为200mm/min，得到摩擦系数-时间关系曲线)如图4所示。
55.由图4可知：本实施例的自润滑硬质涂层的平均摩擦系数为0.35，稳定摩擦系数在0.3左右，摩擦系数相较于timon涂层(电弧离子镀制备timon涂层及其性能研究)和tisin涂层(deposition of tisin coatings by arc ion plating process)均明显降低。
56.3)本实施例的自润滑硬质涂层的3d形貌图和磨损轨道的横截面深度曲线(测试过
程：采用3d表面形貌分析仪对涂层样品的磨损轨道进行面扫描，放大倍数为10，采用白光干涉模式，利用软件生成对应的3d形貌图，并采用软件自带测量工具测量涂层样品的磨损轨道的横截面深度曲线，并利用origin软件拟合求出磨损轨道横截面面积)如图5(a为3d形貌图，b为磨损轨道的横截面深度曲线；涂层样品上的磨痕较浅，故3d形貌图上观察到的磨痕不够清晰)所示。
57.由图5可知：本实施例的自润滑硬质涂层上的磨痕宽度在100μm左右，磨痕的最大深度较小(仅0.06μm)，磨损率为1.08
×
10-7
mm3/n
·
m，磨损率与timon涂层(磨损率为1.039
×
10-6
mm3/n
·
m，电弧离子镀制备timon涂层及其性能研究)和tisin涂层(磨损率为7.25
×
10-6
mm3/n
·
m，deposition of tisin coatings by arc ion plating process)相比均低了一个数量级。
58.实施例3：
59.1)将m2高速钢基体依次用800#砂纸、1500#砂纸和2000#砂纸进行打磨，再依次用w5金刚石抛光膏和w2.5金刚石抛光膏进行抛光，再用酒精超声清洗10min，再100℃干燥15min，再160℃预热1h，再放入电弧离子镀装置中，打开粗抽阀抽真空至90pa，再打开罗茨泵抽真空至3pa以下，再打开精抽阀和主阀抽真空至7
×
10-3
pa以下，达到本底真空，再通入氩气至氩气气压为0.5pa，再在脉冲负偏压为500v、占空比为60％的条件下进行5min氩气等离子清洗，得到预处理的m2高速钢基体；
60.2)调整氩气气压至0.3pa，采用铬靶(纯度大于99.95％)在弧电流为75a、负偏压为100v的条件下进行10min电弧离子镀，在预处理的m2高速钢基体表面形成cr过渡层；
61.3)抽真空至本底真空，再通入氮气至氮气气压为1.0pa，采用钛钼硅靶(纯度大于99.95％，ti、mo、si的原子比为8:1:1)在弧电流为100a、负偏压为150v的条件下进行60min电弧离子镀，在cr过渡层表面形成ti-mo-si-n层，再冷却至80℃以下，即得自润滑硬质涂层。
62.性能测试：
63.1)经测试(测试方法同实施例1)，本实施例的自润滑硬质涂层的硬度为43gpa，具有超高硬度；
64.2)本实施例的自润滑硬质涂层的划痕图(测试过程：使用锥角为120
°
的金刚石压头在涂层样品表面施加从0n～100n的力，力的加载速率为100n/min，形成长度为5mm的划痕，再在光学显微镜下观察涂层样品与基体出现剥落的地方，其对应的载荷力即为涂层样品与基体的结合力)如图6所示。
65.由图6可知：本实施例的自润滑硬质涂层加载0n～100n的力后涂层并未出现剥落，表现出很好的结合力(》100n)。
66.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种自润滑硬质涂层，其特征在于，包括依次设置在硬质基体表面的cr过渡层和ti-mo-si-n层。2.根据权利要求1所述的自润滑硬质涂层，其特征在于：所述cr过渡层的厚度为100nm～200nm。3.根据权利要求1或2所述的自润滑硬质涂层，其特征在于：所述ti-mo-si-n层的厚度为2μm～3μm。4.根据权利要求3所述的自润滑硬质涂层，其特征在于：所述ti-mo-si-n层中ti、mo、si的原子比为8:1:1。5.一种如权利要求1～4中任意一项所述的自润滑硬质涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将硬质基体抛光，再进行超声清洗、干燥、预热和氩气等离子清洗，得到预处理的硬质基体；2)采用铬靶在氩气气氛中通过电弧离子镀在预处理的硬质基体表面制备cr过渡层；3)采用钛钼硅靶在氮气气氛中通过电弧离子镀在cr过渡层表面制备ti-mo-si-n层，即得自润滑硬质涂层。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述硬质基体为硬质合金基体、高速钢基体、模具钢基体、陶瓷基体中的一种。7.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述预热的温度为150℃～170℃，预热的时间为50min～70min。8.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述电弧离子镀在氩气压力为0.3pa～0.4pa、靶电流为60a～80a的条件下进行，电弧离子镀的时间为5min～10min。9.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于：步骤3)所述电弧离子镀在氮气压力为0.5pa～1.3pa、靶电流为80a～100a的条件下进行，电弧离子镀的时间为50min～70min。10.一种切削刀具，其特征在于，包含权利要求1～4中任意一项所述的自润滑硬质涂层。

技术总结
本发明公开了一种自润滑硬质涂层及其制备方法和应用。本发明的自润滑硬质涂层包括依次设置在硬质基体表面的Cr过渡层和Ti-Mo-Si-N层，其制备方法包括以下步骤：1)将硬质基体抛光，再进行超声清洗、干燥、预热和氩气等离子清洗，得到预处理的硬质基体；2)采用铬靶在氩气气氛中通过电弧离子镀在预处理的硬质基体表面制备Cr过渡层；3)采用钛钼硅靶在氮气气氛中通过电弧离子镀在Cr过渡层表面制备Ti-Mo-Si-N层，即得自润滑硬质涂层。本发明的自润滑硬质涂层具有超高硬度和低摩擦系数，含有该自润滑硬质涂层的切削刀具适合用于不锈钢、钛合金、铝合金等难加工材料的干切削加工。铝合金等难加工材料的干切削加工。铝合金等难加工材料的干切削加工。


技术研发人员：曾德长 周呈 邱兆国 黄继波
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/20