[发明专利]W‑S‑C‑N自润滑梯度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-N自润滑梯度涂层刀具及其制备工艺。

二、背景技术

WS₂涂层具有非常低的摩擦系数，本身具备自润滑性能。由于WS₂本身具有的层状结构，在切削过程中，可在刀-屑、刀-工接触区形成一层WS₂转移膜，从而降低刀-屑、刀工接触区的摩擦。但WS₂涂层硬度很低，切削过程中，在高温、高压作用下极易磨损，限制了WS₂涂层在刀具方面的应用。通过在WS₂涂层中添加C元素、N元素等合金元素，可提高WS₂涂层的硬度，提高WS₂涂层刀具的性能，满足切削加工的要求。

由于涂层与基体的材料不同，材料热膨胀系数的不同会在涂层内部形成较大的内应力，从而降低涂层与基体结合力。采用梯度涂层可使涂层成分及性能沿厚度方向连续变化，改善涂层与基体的匹配性，提高涂层与基体的结合强度和涂层的摩擦磨损性能，提高涂层的断裂韧性。

中国专利(申请号：201410263737.2)报道了TiSiN-WS₂/Zr-WS₂涂层刀具及其制备工艺，该专利综合了TiSiN高硬度、高耐磨性和WS₂涂层低摩擦系数，改善了刀具干切削性能，但由于WS₂/Zr涂层Zr元素含量高，降低了涂层的自润滑性能。文献[Surface and Coatings Technology.2015,261:7-14]报道了W-S-N涂层的制备及摩擦性能，但是这种涂层硬度最高为9GPa，涂层硬度仍较低，限制了其广泛应用。文献[Plasma Process and Polymers.2009,6:417-424]报道了W-S-C涂层的制备及摩擦性能，但是这种涂层在温度高于400℃会很快磨损，较难满足干切削加工的要求。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具及其制备工艺，该涂层刀具综合了在WS₂涂层中添加合金元素C元素和N元素提高刀具涂层硬度的方法，涂层刀具的硬度得到较大提高，涂层刀具的切削性能得到改善。且W-S-C-N梯度层中N元素含量沿涂层厚度方向逐渐变化，降低了涂层的内应力，提高了涂层与基体的结合强度。

本发明是通过以下方式实现的。

一种W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具，刀具基体材料为高速钢或硬质合金，刀具表面为W-S-C-N梯度涂层，W-S-C-N梯度涂层与刀具基体之间为Ti过渡层。

一种W-S-C-N自润滑梯度涂层刀具制备工艺，沉积方式为电弧离子镀沉积Ti过渡层+中频磁控溅射沉积W-S-C-N梯度涂层，其具体工艺步骤为：

(1)制备W-S-C复合靶：用数控加工方法在直径为101.6mm、厚度为4.7mm的C靶溅射区域中心位置均布加工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，在盲孔内分别放入与盲孔直径相同、厚度为5mm的WS₂圆片和C圆片；

(2)安装W-S-C复合靶：在镀膜机中频磁控溅射靶安装位置安装2个W-S-C复合靶；

(3)前处理：将刀具基体表面抛光至镜面，去除表面污物，然后依次分别放入酒精和丙酮中，超声清洗各15～20min，去除刀具表面的油污和其他污物，电吹风干燥充分后迅速放入镀膜机真空室，抽真空至7.0×10^-3Pa，加热至100～250℃，保温30～40min；

(4)离子清洗：通Ar气，气压为1.5Pa，开启偏压电源，电压为800V，占空比为0.2，辉光清洗15min；偏压降至400V，开启离子源，开启电弧源Ti靶，电流调至65A，离子清洗2～3min；

(5)沉积Ti过渡层：调整Ar气压为0.5～0.6Pa，偏压降至200～300V，电弧镀Ti 3～5min；