一种具有纳米涂层的微织构刀具及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有纳米涂层的微织构刀具及其制备方法。所述制备方法包括如下步骤：提供微织构刀具，所述微织构刀具包括前刀面，所述前刀面上成形有微织构，所述微织构至少位于所述前刀面上的刀‑屑接触区域；对提供的所述微织构刀具的外表面进行预处理去除有机杂质和静电荷；将预处理后的微织构刀具置于原子层沉积装置的反应腔中，利用原子沉积法，将厚度为50纳米～200纳米的纳米涂层均匀沉积于所述微织构的表面及其各个刀面上。本发明专利技术将微织构与基于ALD技术沉积的纳米涂层相结合，制备出分布均匀、厚度可控的高可靠性纳米涂层，大大降低了刀具的摩擦系数，提高了切削性能和耐用度。

A micro textured tool with nano coating and its preparation method

The invention provides a micro texture cutter with nano coating and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: providing a micro texture cutter, the micro texture cutter comprises a front cutter surface, the front cutter surface is formed with a micro texture, the micro texture is at least located in the cutter chip contact area on the front cutter surface; preprocessing the external surface of the micro texture cutter to remove organic impurities and static charges; placing the pre-treated micro texture cutter in the original position In the reaction chamber of the sublayer deposition device, a nano coating with a thickness of 50 nm to 200 nm is uniformly deposited on the surface of the micro texture and each knife surface by the atomic deposition method. The invention combines micro texture with nano coating deposited based on ALD technology to prepare high reliability nano coating with uniform distribution and controllable thickness, greatly reducing the friction coefficient of cutter, improving cutting performance and durability.

【技术实现步骤摘要】
一种具有纳米涂层的微织构刀具及其制备方法
本专利技术涉及刀具领域，尤其涉及一种具有纳米涂层的微织构刀具及其制备方法。
技术介绍
随着中国汽车、飞机、航空航天、模具等精密制造业的快速发展，金属加工刀具的生产规模越来越大，质量要求也越来越高。近年我国高端刀具市场约有200亿元人民币以上规模，但高端市场基本上为进口刀具，国产比率不足20％，依据2005-2013年我国进口刀具规模变化趋势分析，呈逐年增长趋势。现代切削技术的发展，对刀具性能提出了更高的要求。切削过程中切屑与刀面之间会发生相互摩擦，一方面摩擦产生的切削阻力和切削热严重影响加工件的质量和加工效率；另一方面，摩擦会造成刀具磨损，导致刀具使用寿命短。如何有效降低刀-屑间的磨损，延长刀具寿命，对刀具发展具有重要意义。因此，实有必要提供一种新型刀具以降低刀-屑界面摩擦系数，减少刀具磨损，提高刀具使用寿命。
技术实现思路
本专利技术提供一种具有纳米涂层的微织构刀具及其制备方法，以解决现有刀具使用时磨损厉害，使用寿命短的问题。本专利技术针对上述技术问题，提供如下方案：第一方面，本专利技术实施例提供一种具有纳米涂层的微织构刀具的制备方法，包括如下步骤：步骤1、提供微织构刀具，所述微织构刀具包括前刀面，所述前刀面上成形有微织构，所述微织构至少位于所述前刀面上的刀-屑接触区域；步骤2、对步骤1提供的所述微织构刀具的各个表面进行预处理，以去除所述微织构刀具的各个表面的有机杂质和静电荷；步骤3、将预处理后的微织构刀具置于原子层沉积装置的反应腔中，利用原子沉积法，将厚度为50纳米～200纳米的纳米涂层均匀沉积于所述微织构刀具的各个表面上，所述纳米涂层为二氧化钛TiO2纳米涂层、三氧化二铝Al2O3纳米涂层、碳化钛TiC纳米涂层、氮化钛TiN纳米涂层、氮化铝AlN纳米涂层和二硫化钼MoS2纳米涂层中的一种或至少两种复合而成。可选的，所述纳米涂层为单一材料的纳米涂层时，所述步骤3包括：步骤311、将预处理后的微织构刀具置于原子层沉积装置的反应腔中；步骤312、对反应腔抽真空，加热使所述反应腔的腔内温度保持在预设的反应温度；步骤313、完成一次循环的原子沉积反应，形成一层所述纳米薄膜；步骤314、重复第一预设次循环的原子沉积反应，形成由多层所述纳米薄膜叠加而成的所述纳米涂层，所述纳米涂层为TiO2纳米涂层、Al2O3纳米涂层、TiC纳米涂层、TiN纳米涂层、AlN纳米涂层和MoS2纳米涂层中的一种。可选的，所述纳米涂层由多层具第一厚度的第一纳米涂层和多层具第二厚度的第二纳米涂层交替叠加而成，所述步骤3包括：步骤321、将预处理后的微织构刀具置于原子层沉积装置的反应腔中；步骤322、对反应腔抽真空，加热使所述反应腔的腔内温度保持在预设的反应温度；步骤323、完成一次第一种循环的原子沉积反应，形成一层第一纳米薄膜；步骤324、重复第二预设次所述第一种循环的原子沉积反应，形成由多层所述第一纳米薄膜叠加而成的具第一厚度的所述第一纳米涂层；步骤325、完成一次第二种循环的原子沉积反应，形成一层第二纳米薄膜；步骤326、重复第三预设次所述第二种循环的原子沉积反应，形成由多层所述第二纳米薄膜叠加而成的具第二厚度的所述第二纳米涂层；步骤327、步骤323～326即为一个循环，重复步骤323～326，形成多层具第一厚度的第一纳米涂层和多层具第二厚度的第二纳米涂层交替叠加而成的复合纳米涂层。可选的，所述纳米涂层由具第一厚度的Al2O3纳米涂层和具第二厚度的TiO2纳米涂层交替叠加形成，且所述第一厚度和第二厚度之比为(3.8～4.2)：1。可选的，所述反应腔内预设的反应温度为200℃～300℃，反应腔的真空度在0.5百帕以下。可选的，一次循环的原子沉积反应的步骤，包括：(1)利用载气向所述反应腔内通入第一种前驱体，使所述第一种前驱体向所述微织构刀具的各个表面扩散、吸附，并发生饱和吸附反应；(2)在所述饱和吸附反应完全后，去除所述反应腔内残余的第一种前驱体和步骤(1)中得到的第一反应副产物；(3)利用载气向所述反应腔内通入第二种前驱体，使所述第二种前驱体向所述微织构刀具的各个表面扩散、吸附，并与所述第一种前驱体发生化学反应形成纳米薄膜；(4)在步骤(3)反应完成后，去除所述反应腔内残余的第二种前驱体和步骤(3)中得到的第二反应副产物。可选的，所述微织构刀具还包括主后面、副后面、主切削刃及副切削刃，所述主切削刃为所述主后面与所述前刀面的交线，所述副切削刃为所述副后面与所述前刀面的交线，所述微织构与所述主切削刃之间的距离为0.1～0.2毫米，所述微织构与所述副切削刃之间的距离为0.1～0.2毫米。可选的，所述微织构的结构为点状、条纹状、波纹状、梳齿状、阶梯状和圆柱状中的一种或几种组合。可选的，所述微织构刀具的材料为硬质合金、高速钢、金刚石、陶瓷、立方氮化硼中的任意一种。第二方面，本专利技术实施例还提供一种具有纳米涂层的微织构刀具，所述微织构刀具包括前刀面，所述前刀面上形成有微织构，所述微织构至少位于所述前刀面中的刀-屑接触区域，所述微织构刀具还包括通过原子沉积技术沉积于所述微织构刀具的各个表面的纳米涂层，所述纳米涂层为TiO2纳米涂层、Al2O3纳米涂层、TiC纳米涂层、TiN纳米涂层、AlN纳米涂层和MoS2纳米涂层中的一种或至少两种复合而成，所述纳米涂层的厚度为50纳米～200纳米。本专利技术的优点与有益效果是：一、本专利技术将微织构和基于原子层沉积技术(Atomiclayerdeposition，ALD)的纳米涂层相结合，在微织构减小了刀具表面与切屑之间的实际接触面积,降低了摩擦阻力达到减摩效果的基础上，进一步利用纳米涂层所具有的高强高硬和耐热等性能对刀具刃口及具有微织构的前刀面和其他刀面进行强化作用，一方面提高微织构及刀面和刃口的物理性能，另一方面让纳米涂层深入微织构中，使切削过程中产生的纳米颗粒进入到刀具和切屑之间形成滑动-滚动复合摩擦副改善摩擦形式降低切削阻力。因此，微织构和基于ALD技术形成的纳米涂层产生协同效应，可以显著地提高切削性能和延长刀具使用寿命，经切削实验检测，摩擦系数可降低至0.2～0.45(纳米涂层刀具的摩擦系数为0.73～0.8之间，微织构刀具的摩擦系数在0.55～0.65之间)。二、采用ALD技术沉积纳米涂层，除了继承传统涂层不同特性外还具有阶梯覆盖性、低温沉积和结合强度大的特点。阶梯覆盖性是指传统涂层工艺涂层后原本会出现涂层不均的死角位置(例如微织构形貌尖点处位置)也能够实现均匀沉积，避免应力集中现象的产生；低温沉积的优势在于不会因高温降低刀具基体的强度，也不会因温度过高在涂层内部产生残余应力；结合强度大是因为纳米涂层的原子层间的原子是由化学饱和吸附所产生的强烈化学键连接具有高能量不易破坏脱落特点，比传统涂层拥有更高的结合强度。三、采用ALD技术沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有纳米涂层的微织构刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1、提供微织构刀具，所述微织构刀具包括前刀面，所述前刀面上成形有微织构，所述微织构至少位于所述前刀面上的刀-屑接触区域；/n步骤2、对步骤1提供的所述微织构刀具的各个表面进行预处理，以去除所述微织构刀具的各个表面的有机杂质和静电荷；/n步骤3、将预处理后的微织构刀具置于原子层沉积装置的反应腔中，利用原子沉积法，将厚度为50纳米～200纳米的纳米涂层均匀沉积于所述微织构刀具的各个表面上，所述纳米涂层为二氧化钛TiO

【技术特征摘要】
1.一种具有纳米涂层的微织构刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、提供微织构刀具，所述微织构刀具包括前刀面，所述前刀面上成形有微织构，所述微织构至少位于所述前刀面上的刀-屑接触区域；
步骤2、对步骤1提供的所述微织构刀具的各个表面进行预处理，以去除所述微织构刀具的各个表面的有机杂质和静电荷；
步骤3、将预处理后的微织构刀具置于原子层沉积装置的反应腔中，利用原子沉积法，将厚度为50纳米～200纳米的纳米涂层均匀沉积于所述微织构刀具的各个表面上，所述纳米涂层为二氧化钛TiO2纳米涂层、三氧化二铝Al2O3纳米涂层、碳化钛TiC纳米涂层、氮化钛TiN纳米涂层、氮化铝AlN纳米涂层和二硫化钼MoS2纳米涂层中的一种或至少两种复合而成。


2.根据权利要求1所述的具有纳米涂层的微织构刀具的制备方法，其特征在于，所述纳米涂层为单一材料的纳米涂层时，所述步骤3包括：
步骤311、将预处理后的微织构刀具置于原子层沉积装置的反应腔中；
步骤312、对反应腔抽真空，加热使所述反应腔的腔内温度保持在预设的反应温度；
步骤313、完成一次循环的原子沉积反应，形成一层所述纳米薄膜；
步骤314、重复第一预设次循环的原子沉积反应，形成由多层所述纳米薄膜叠加而成的所述纳米涂层，所述纳米涂层为TiO2纳米涂层、Al2O3纳米涂层、TiC纳米涂层、TiN纳米涂层、AlN纳米涂层和MoS2纳米涂层中的一种。


3.根据权利要求1所述的具有纳米涂层的微织构刀具的制备方法，其特征在于，所述纳米涂层由多层具第一厚度的第一纳米涂层和多层具第二厚度的第二纳米涂层交替叠加而成，所述步骤3包括：
步骤321、将预处理后的微织构刀具置于原子层沉积装置的反应腔中；
步骤322、对反应腔抽真空，加热使所述反应腔的腔内温度保持在预设的反应温度；
步骤323、完成一次第一种循环的原子沉积反应，形成一层第一纳米薄膜；
步骤324、重复第二预设次所述第一种循环的原子沉积反应，形成由多层所述第一纳米薄膜叠加而成的具第一厚度的所述第一纳米涂层；
步骤325、完成一次第二种循环的原子沉积反应，形成一层第二纳米薄膜；
步骤326、重复第三预设次所述第二种循环的原子沉积反应，形成由多层所述第二纳米薄膜叠加而成的具第二厚度的所述第二纳米涂层；
步骤327、步骤323～326即为一个循环，重复步骤323～326，形成多层具第一厚度的第一纳米涂层和多层具第二厚度的第二纳米涂层交替叠加而成的复合纳米涂层。...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐思文，王睿，刘鹏飛，刘骞，吕峥，李佩真，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43