[发明专利]等离子体织构化刀具及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种等离子体织构化刀具及其制备方法。

背景技术

在传统的切削过程中，为了满足加工工件表面质量的要求以及延长刀具的 使用寿命，通常情况下需要不停地使用切削液对刀具进行润滑和冷却。切削液 的使用不仅需要花费较高的成本，而且会对环境造成污染。为了减少切削液的 使用，研究者开始致力于研究干切削及开发新型干切削刀具来满足干切削对刀 具性能的要求。微织构刀具是一种新型的干切削刀具，通过在刀具表面加工微 纳结构，在切削时能起到捕捉存储切屑、减小切削力、提高刀具使用寿命的作 用。

申请号201410823133.9的中国发明专利申请就公开了一种超硬材料刀具表 面凹坑微织构纹理的新型加工方法，采用超声振动-电火花-磨削复合加工平台， 并且分为多个阶段进行磨削、电火花加工、微能脉冲放电与超声振动，整套加 工设备庞大并且复杂，加工步骤繁多，并且只能够在刀具上获得微米级的织构。 此外，电火花加工表面烧蚀严重，加工效率较低，且加工得到的微织构尺寸精 度不高，织构截面为锥形，捕捉存储切屑的空间有限，刀具的切削性能还有待 进一步的提高。

因此，现有的微织构干切削刀具制备方法存在加工困难、加工得到的微织 构尺寸不可控制且精度不高、微织构捕捉存储切屑能力较差的技术缺陷。

发明内容

本发明提供了一种等离子体织构化刀具及其制备方法，首次将等离子体刻 蚀技术应用在刀具表面织构的加工上，并且实现了刀具织构尺寸和精度完全可 控，织构尺寸最小可以达到几十纳米。此外，采用等离子体刻蚀加工的织构截 面形貌是直沟槽，也有利于切屑的捕捉和存储，其克服了背景技术所存在的不 足。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

等离子体织构化刀具，刀具的基体材料为硬质合金，刀具前刀面的刀-屑接 触区采用等离子体刻蚀方法刻蚀形成纳米尺度的织构阵列。

一较佳实施例之中：所述纳米尺度的织构阵列圆孔直径＝200nm，圆孔的中 心距＝300nm，圆孔深度＝500nm。

等离子体织构化刀具制备方法，步骤为：

(1)制备掩膜板：通过溅射法在玻璃基板的表面溅射淀积氮化铬层，在氮化 铬层的表面溅射铬膜层，在铬膜层的表面溅射三氧化二铬层，然后，采用电子 束光刻在铬膜层加工纳米尺度的织构阵列；

(2)刀具前处理：刀具先放入H₂SO₄和H₂O₂的混合溶液中恒温水浴10-30 分钟，用去离子水冲洗并吹干；接着，放入NH₄OH、H₂O₂、H₂O的混合溶液中 恒温水浴10-30分钟，用去离子水冲洗并吹干；接着，放入HCl、H₂O₂、H₂O 的混合溶液中恒温水浴10-30分钟，用去离子水冲洗并吹干；接着在HF溶液中 浸泡10-60秒，用去离子水冲洗并吹干；最后，刀具清洗并进行脱水烘焙；

(3)光刻图形转印：光刻胶均匀的涂在刀具前刀面的刀-屑接触区，掩膜板 放置于刀具前刀面上方并且玻璃基板朝上，在掩膜板上方用紫外线对光刻胶进 行曝光，曝光后对光刻胶进行后烘，之后，用显影液对光刻胶进行溶解，在光 刻胶上形成纳米尺度的织构阵列图形；

(4)等离子体刻蚀：对照光刻胶上纳米尺度的织构阵列图形，采用等离子 体刻蚀，在刀具上刻蚀形成纳米尺度的织构阵列。

一较佳实施例之中：所述铬膜层厚度为100nm；所述三氧化二铬层厚度为 20nm。