本發明涉及鍍層制備方法，特別是涉及一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法。

背景技術：

作為基礎產業的制造業正在發生著革命性的變化，制造技術也已產生了質的變化。尤其是近幾年高速切削加工技術的應用，在大幅度提高生產效率的同時也極大地提高了產品的質量，可以認為高速切削加工技術已成為切削制造業的主流。

高速切削加工技術的發展與應用同時帶動了相關技術的迅速發展，而高速切削刀具技術是實現高速加工的關鍵技術之一，而刀具材料的高溫性能是影響高速切削刀具技術發展的重中之重。由于在高速切削加工中所產生的切削熱對刀具的磨損比常規切削高得多，因此對刀具材料有更高的要求：高硬度、高強度和耐磨性；高的韌性和抗沖擊能力；高的紅硬性和化學穩定性；抗熱沖擊能力。

刀具表面涂層技術是應市場需求而發展起來的一種表面改性技術，自上世紀60年代出現以來，該項技術在金屬切削刀具制造業內得到了極為廣泛的應用。尤其是高速切削加工技術出現之后，涂層技術更是得到了迅猛的發展與應用，并成為高速切削刀具制造的關鍵技術之一。該項技術通過化學或物理的方法在刀具表面形成某種薄膜，使切削刀具獲得優良的綜合切削性能，從而滿足高速切削加工的要求。歸納起來切削刀具表面涂層技術具有以下特點：1)采用涂層技術可在不降低刀具強度的條件下，大幅度地提高刀具表面硬度；2)隨著涂層技術的飛速發展，薄膜的化學穩定性及高溫抗氧化性更加突出，從而使高速切削加工成為可能；3)潤滑薄膜具有良好的固相潤滑性能，可有效地改善加工質量，也適合于干式切削加工；4)涂層技術作為刀具制造的最終工序，對刀具精度幾乎沒有影響，并可進行重復涂層工藝。

涂層切削刀具所帶來的益處：可大幅度提高切削刀具壽命；有效地提高切削加工效率；明顯提高被加工工件的表面質量；有效地減少刀具材料的消耗，降低加工成本；減少冷卻液的使用，降低成本，有利于環境保護。

中國專利(專利號：ZL200710017202.7)公開了一種摻雜鉻的非晶態石墨減摩鍍層，該鍍層硬度僅為1500HV～2200HV，厚度1.0μm～1.5μm，不適合作為高速切削刀具鍍層使用。中國專利(申請號：200610068975.3)報道了一種自潤滑軟涂層刀具鍍層，該鍍層材料由Ti、Zr和MoS2組層，制備工藝較復雜，且其潤滑介質為MoS2，其缺點是吸濕性強，在一定的相對濕度下摩擦系數和磨損率都會急劇上升，應用范圍有一定局限性。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服以上技術的不足之處，提供一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法，使刀具硬度更高，以提升刀具使用壽命。

為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案：

一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法，包括下述步驟：

S100：預處理，去除合金材料上的污染物，使合金材料表面清潔、干燥；

S200：上掛架和抽真空，將合金材料放置在掛架上，將所述掛架放置在離子鍍膜設備的真空室內，所述真空室內具有鎢靶和石墨靶，將真空室抽真空到：3×10^-5Torr～8×10^-5Torr；

S300：離子清洗，在所述真空室內通入濺射氣體，對合金材料進行高能離子轟擊清洗；

S400：沉積鎢金屬打底，保持濺射氣體流量，調整至負偏壓值，開啟鎢靶電流；

S500：沉積鎢/碳過渡層：保持濺射氣體流量，開啟石墨靶；

S600：沉積碳/鎢自潤滑復合鍍層：保持濺射氣體流量，沉積時間為180～240min。

其中，所述掛架的部分結構如圖1所示，圖中所示是三軸聯動結構的一部分，一級轉動機構能夠自轉，二級轉動機構安裝在一級轉動機構上，二級轉動機構也能夠自轉，三級轉動機構安裝在二級轉動機構上，三級轉動機構也能夠自轉。圖中所示為二級轉動機構和安裝在二級轉動機構上的三級轉動機構。

通過在純碳鍍層中摻雜少量(相對原子百分含量5～10％)的金屬鎢，在保持低的摩擦系數的同時，可提高鍍層硬度，降低鍍層的內應力，提高鍍層與基體的結合強度，并有利于非晶碳的石墨化。摻入的鎢元素與鍍層中的碳元素反應生成納米碳化鎢相，使鍍層成為非晶碳中摻雜納米碳化鎢的納米復合鍍層。本發明所提供的含鎢自潤滑碳基刀具鍍層，其厚度為1.5μm～2.5μm，硬度為2500HV～3000HV；摩擦系數為0.05～0.09。該鍍層能夠明顯提高刀具的使用壽命，在相同的條件下，鍍有該鍍層的刀具的使用壽命較無鍍層的刀具提高了2～3倍。

前述的一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法中，所述步驟S300中，所述濺射氣體是氬氣，首先使流量保持在30～40sccm，調整負偏壓值為-500～-350V，保持15～25min；然后將氬氣流量調整至20～30sccm，進行正常離子清洗，此時調整負偏壓值為-350～-200V，持續10～20min。

前述的一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法中，所述步驟S400中，將濺射氣體的流量保持在20～30sccm，將負偏壓調整至-80～-120V，并將電流值調整為3～5A，沉積時間5～10min。

前述的一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法中，所述步驟S500中，將濺射氣體的流量保持在20～30sccm，調整負偏壓值至-60～-90V，鎢靶電流由3～5A線性減小到0.5～1A，石墨靶電流線性增大到6～9A，沉積時間為30～60min。

前述的一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法中，所述步驟S600中，將濺射氣體的流量保持在20～30sccm，調整負偏壓值至-60～-90V，鎢靶電流控制在0.5～1A，石墨靶電流控制在6～9A。

前述的一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法中，所述真空室內有兩個鎢靶和兩個石墨靶，所述掛架是三軸聯動掛架。

前述的一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法中，所述步驟S100中，首先將合金材料放置在清洗架上，然后依次經過超聲波除油、活化、表調、脫水和烘干，去除合金材料表面的油污和氧化皮。清洗架的結構如圖2所示。

與現有技術相比，通過上述方法制備的含鎢自潤滑碳基鍍層刀具，其表面為碳/鎢自潤滑復合鍍層(鎢原子百分含量5～10％)，其間摻雜有納米碳化鎢相，既可保證刀具在切削過程中表面能形成具有潤滑作用的連續固態潤滑層，又可增加刀具的表面硬度。并且，刀具基材與表面碳/鎢復合鍍層之間具有鎢和鎢/碳過渡層，可減小殘余應力，增加鍍層與刀具基體的結合強度。使用該含鎢自潤滑碳基鍍層的刀具，可廣泛應用在干切削和難加工材料的切削加工，是一種環境效益和經濟效益俱佳的工藝選擇，具有廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1是掛架的一種實施例的部分結構示意圖；

圖2是清洗架的一種實施例的結構示意圖。

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步的說明。

具體實施方式

本發明的實施例1：一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法，刀具：擠壓絲錐，材質：W6Mo5Cr4V2高速鋼，包括下述步驟：

S100：預處理，去除刀具上的污染物，使刀具表面清潔、干燥。具體的，首先將刀具放置在清洗架上，然后依次經過超聲波除油、活化、表調、脫水和烘干，去除刀具表面的油污和氧化皮。；

S200：上掛架和抽真空，將刀具放置在掛架上，將所述掛架放置在離子鍍膜設備的真空室內，所述真空室內具有鎢靶和石墨靶，將真空室抽真空到：3×10^-5Torr，所述真空室內有兩個鎢靶和兩個石墨靶，所述掛架是三軸聯動掛架；

S300：離子清洗，在所述真空室內通入濺射氣體，對刀具進行高能離子轟擊清洗，所述濺射氣體是氬氣，首先使流量保持在30sccm，調整負偏壓值為-500V，保持15min；然后將氬氣流量調整至20sccm，進行正常離子清洗，此時調整負偏壓值為-350V，持續10min；

S400：沉積鎢金屬打底，保持濺射氣體流量，調整至負偏壓值，開啟鎢靶電流，將濺射氣體的流量保持在20sccm，將負偏壓調整至-80V，并將電流值調整為3A，沉積時間5min；

S500：沉積鎢/碳過渡層：保持濺射氣體流量，開啟石墨靶，將濺射氣體的流量保持在20sccm，調整負偏壓值至-60V，鎢靶電流由3A線性減小到0.5A，石墨靶電流線性增大到6A，沉積時間為30min；

S600：沉積碳/鎢自潤滑復合鍍層：保持濺射氣體流量，沉積時間為180min；將濺射氣體的流量保持在20sccm，調整負偏壓值至-60V，鎢靶電流控制在0.5A，石墨靶電流控制在6A。

鍍膜結束后，關閉鎢靶和石墨靶電源、偏壓電源、氬氣，并冷卻至室溫后取出絲錐即可。本實施例所得到的擠壓絲錐鍍層厚度為1.87μm，硬度為2735HV，摩擦系數為0.08。

實施例2：一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法，刀具：刀片，材質：YT14硬質合金，包括下述步驟：

S100：預處理，去除合金材料上的污染物，使合金材料表面清潔、干燥。具體的，首先將合金材料放置在清洗架上，然后依次經過超聲波除油、活化、表調、脫水和烘干，去除合金材料表面的油污和氧化皮。；

S200：上掛架和抽真空，將合金材料放置在掛架上，將所述掛架放置在離子鍍膜設備的真空室內，所述真空室內具有鎢靶和石墨靶，將真空室抽真空到：8×10^-5Torr，所述真空室內有兩個鎢靶和兩個石墨靶，所述掛架是三軸聯動掛架；

S300：離子清洗，在所述真空室內通入濺射氣體，對合金材料進行高能離子轟擊清洗，所述濺射氣體是氬氣，首先使流量保持在40sccm，調整負偏壓值為-350V，保持25min；然后將氬氣流量調整至30sccm，進行正常離子清洗，此時調整負偏壓值為-200V，持續20min；

S400：沉積鎢金屬打底，保持濺射氣體流量，調整至負偏壓值，開啟鎢靶電流，將濺射氣體的流量保持在30sccm，將負偏壓調整至-120V，并將電流值調整為5A，沉積時間10min；

S500：沉積鎢/碳過渡層：保持濺射氣體流量，開啟石墨靶，將濺射氣體的流量保持在30sccm，調整負偏壓值至-90V，鎢靶電流由5A線性減小到1A，石墨靶電流線性增大到9A，沉積時間為60min；

S600：沉積碳/鎢自潤滑復合鍍層：保持濺射氣體流量，沉積時間為240min；將濺射氣體的流量保持在30sccm，調整負偏壓值至-90V，鎢靶電流控制在1A，石墨靶電流控制在9A。

鍍膜結束后，關閉鎢靶和石墨靶電源、偏壓電源、氬氣，并冷卻至室溫后取出刀片即可。本實施例所得到的刀片鍍層厚度為2.26μ，硬度為2658HV，摩擦系數為0.07。

實施例3：一種含鎢自潤滑刀具鍍層制備方法，刀具：鉆頭，材質：W18Cr4V高速鋼，包括下述步驟：

S100：預處理，去除合金材料上的污染物，使合金材料表面清潔、干燥。具體的，首先將合金材料放置在清洗架上，然后依次經過超聲波除油、活化、表調、脫水和烘干，去除合金材料表面的油污和氧化皮。；

S200：上掛架和抽真空，將合金材料放置在掛架上，將所述掛架放置在離子鍍膜設備的真空室內，所述真空室內具有鎢靶和石墨靶，將真空室抽真空到：5×10^-5Torr，所述真空室內有兩個鎢靶和兩個石墨靶，所述掛架是三軸聯動掛架；

S300：離子清洗，在所述真空室內通入濺射氣體，對合金材料進行高能離子轟擊清洗，所述濺射氣體是氬氣，首先使流量保持在35sccm，調整負偏壓值為-400V，保持20min；然后將氬氣流量調整至25sccm，進行正常離子清洗，此時調整負偏壓值為-250V，持續15min；

S400：沉積鎢金屬打底，保持濺射氣體流量，調整至負偏壓值，開啟鎢靶電流，將濺射氣體的流量保持在25sccm，將負偏壓調整至-100V，并將電流值調整為4A，沉積時間8min；

S500：沉積鎢/碳過渡層：保持濺射氣體流量，開啟石墨靶，將濺射氣體的流量保持在25sccm，調整負偏壓值至-70V，鎢靶電流由4A線性減小到0.7A，石墨靶電流線性增大到7A，沉積時間為45min；

S600：沉積碳/鎢自潤滑復合鍍層：保持濺射氣體流量，沉積時間為210min；將濺射氣體的流量保持在25sccm，調整負偏壓值至-75V，鎢靶電流控制在0.85A，石墨靶電流控制在7.5A。

鍍膜結束后，關閉鎢靶和石墨靶電源、偏壓電源、氬氣，并冷卻至室溫后取出鉆頭即可。本實施例所得到的鉆頭鍍層厚度為2.07μm，硬度為2896HV，摩擦系數為0.08。