一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及刀具技术领域，公开了一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层，从内到外依次包括底层、缓冲层、加强硬涂层和软硬复合层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强硬涂层为TiAlN层，软硬复合层为TiAlN单层和WS

A soft hard composite coating for circular saw blade and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层及其制备方法
本专利技术涉及刀具
，尤其是涉及一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层及其制备方法。
技术介绍
圆锯片是一种用于石材、木材、金属、塑料等材料坯料加工的切割刀具，随着汽摩制造、重工机械及精密仪表等制造业对金属材料的强度、韧性等的要求越来越高，切削加工的难度也越来越大，对切割刀具的硬度、耐高温性能等都提出了更高的要求。现有技术中为了提高刀具的硬度、耐磨性能等，一般会在刀具表面设置TiN层、TiAlN层等硬涂层，以保证适宜的切削速度。例如，一种在中国专利文献上公开的“高韧性和高硬度的厚Ti/TiAlN多层涂层及其制备方法”，其公告号CN110004415A，采用通用的弧光离子镀设备进行沉积，选用Ti靶和TiAl靶作为阴极靶材，该Ti/TiAlN多层涂层沉积于硬质合金基体表面；所述Ti/TiAlN多层涂层为层状结构，包括TiN过渡层、多个TiAlN子层和Ti子层，沉积于基体的第一层为TiN过渡层，第二层为TiAlN子层，之后为Ti子层，TiAlN子层和Ti子层相互交替叠加沉积，最外层为TiAlN子层。该专利技术Ti/TiAlN多层涂层具备高厚度、良好的膜基结合强度、高硬度、高韧性等特点，并具备良好的抗氧化性能。但使用传统的硬涂层制作出的刀具，在切削加工中，刀具与工件、刀具与切屑的界面存在很大的摩擦，使切削力、切削热和工件的变形增加，导致了刀具磨损、降低了加工质量。所以使用传统的硬涂层制作出的刀具在加工过程中需使用切削液，以减小金属切削过程中的界面摩擦，保证加工质量，提高刀具使用寿命。但切削液中往往含有有害的化学物质，会造成严重的环境污染，同时，切削液还需一整套循环系统维持，增加了加工成本。因此需要对切削刀具的涂层进行改进，使涂层具有自润滑功能，从而使切削刀具可以在切削过程中无需使用切削液，实现干切削。
技术实现思路
本专利技术是为了克服现有技术中使用传统的硬涂层制作出的刀具在加工过程中需使用切削液，以减小金属切削过程中的界面摩擦，保证加工质量，提高刀具使用寿命，但切削液中往往含有有害的化学物质，会造成严重的环境污染，同时，切削液还需一整套循环系统维持，增加了加工成本的问题，提供一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层及其制备方法，制备出的复合涂层既具有硬涂层的高硬度，以保证适宜的切削速度和工件表面的光洁度，又具有软涂层良好的自润滑性，降低涂层圆锯片的刀-屑摩擦系数，从而保证加工质量，提高刀具使用寿命。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层，从内到外依次包括底层、缓冲层、加强硬涂层和软硬复合层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强硬涂层为TiAlN层，软硬复合层为TiAlN单层和WS2-TiB2单层交替设置形成的多层复合层，WS2-TiB2单层包括位于两侧的分别与TiAlN单层贴靠的过渡层，及位于两侧过渡层之间的稳定层，过渡层中从与TiAlN单层贴合一侧到稳定层一侧，WS2的质量分数逐渐增大，稳定层中WS2的质量分数保持不变。本专利技术中的复合涂层中，采用Ti金属层作为底层，可以提高复合涂层与圆锯片基体之间的亲和性、相容性和润湿性，有助于降低界面处的表面能，增强复合涂层的结合力，同时减小了复合涂层与圆锯片基体间的内应力，提高了复合涂层的韧性和强度。缓冲层和加强硬涂层使复合涂层内部的应力顺利的由内向外过渡并衰减，且TiN缓冲层的存在提高了底层和加强硬涂层的相容性，避免因成分突变而影响层间的结合强度。加强硬涂层采用TiAlN层，熔点高、硬度大、化学稳定性好，可有效提高圆锯片的力学性能和切削速度。软硬复合层为TiAlN单层和WS2-TiB2单层交替设置形成的复合层，WS2是软涂层材料，具有低剪切强度和低摩擦系数，因此可以使复合涂层具有润滑性能，不需要外加润滑剂就能起到良好的润滑效果，实现干切削。但如果直接在加强硬涂层上沉积WS2软涂层，WS2与TiAlN层因为成分和微观结构上的差异，结合强度不高，且WS2层的硬度、热稳定性和耐磨性不足，降低了圆锯片的切削性能。本专利技术将软涂层材料WS2和硬涂层材料TiB2同时沉积，形成WS2-TiB2单层，并与TiAlN单层交替沉积，得到的软硬复合层不但具有硬涂层良好的硬度和耐磨性，又同时兼具软涂层的减磨自润滑性能，大大提高了圆锯片的使用性能，并且各单层间的结合强度好。WS2-TiB2单层中因为WS2和TiB2的晶体结构都为六方结构，且界面的晶格错配度相近，同一层上的S-S原子间距和Ti-Ti原子间距可以较好匹配，同时WS2层状结构的各层之间通过范德华力相结合，S-S键易断裂，因此Ti-S键容易形成，两界面可以通过点阵畸变过渡和位错网络调节形成共格/半共格界面，共格/半共格界面的形成，抑制了WS2晶粒的长大，阻碍了WS2疏松的柱状晶组织的形成，同时促进了TiB2的非均匀形核，使TiB2以晶体生长方式形核和长大，从而形成了WS2-TiB2-WS2交替的层状结构，使得得到的WS2-TiB2单层既具有硬涂层的高硬度和良好的耐磨性，同时又兼具软涂层的低摩擦系数。为了进一步提高复合涂层的硬度，本专利技术的软硬复合层将WS2-TiB2单层与TiAlN单层交替沉积，周期性的相互沉积可以抑制WS2、TiB2和TiAlN的生长，使晶粒尺寸细而均匀，从而提高软硬复合层的硬度。同时，因为TiAlN单层和WS2-TiB2单层的弹性模量相差较大，因此交替沉积形成的多层复合层还会因为弹性模量差异致硬。如果各单层的厚度非常小，以至于单层内没有位错源起作用，在外加应力作用下，位错将从较软的WS2-TiB2单层向两单层的界面运动，而具有较高弹性模量的TiAlN单层中会产生形变，引起排斥力，从而阻止位错沿界面穿过。因此软硬复合层采用TiAlN单层和WS2-TiB2单层交替沉积形成的多层复合层，可以大大提高涂层的硬度，从而提高圆锯片的切削性能。同时，为了使WS2-TiB2单层与TiAlN单层具有良好的结合强度，本专利技术在WS2-TiB2单层与TiAlN单层贴靠的两侧设置过渡层，过渡层中从与TiAlN贴合一侧到稳定层一侧，WS2的质量分数逐渐增大，过渡层由与TiAlN单层结合力较强的TiB2结构逐渐过渡到稳定的WS2-TiB2结构，提高了各单层的结合强度的同时保证了软硬复合层的高硬度。作为优选，WS2-TiB2单层中过渡层的厚度为稳定层的1/10～1/6。采用此过渡层和稳定层的比例，既可以保证WS2-TiB2单层与TiAlN单层良好的结合强度，又可以保证软硬复合层的硬度、耐磨性和自润滑性能，使圆锯片具有良好的使用性能。作为优选，缓冲层由里向外依次包括第一TiN层和第二TiN层，其中第一TiN层贴靠Ti金属层，第二TiN层贴靠加强硬涂层，第二TiN层与加强硬涂层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚100～200nm。保证复合涂层内部的应力平稳传递并逐渐削弱，强化复合涂层的强度。作为优选，复合涂层的厚度为4～6µm，其中底层的厚度为80～180nm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层，其特征是，从内到外依次包括底层、缓冲层、加强硬涂层和软硬复合层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强硬涂层为TiAlN层，软硬复合层为TiAlN单层和WS

【技术特征摘要】
1.一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层，其特征是，从内到外依次包括底层、缓冲层、加强硬涂层和软硬复合层，其中底层为Ti金属层，缓冲层为TiN层，加强硬涂层为TiAlN层，软硬复合层为TiAlN单层和WS2-TiB2单层交替设置形成的多层复合层，所述WS2-TiB2单层包括位于两侧的分别与TiAlN单层贴靠的过渡层，及位于两侧过渡层之间的稳定层，所述过渡层中从与TiAlN单层贴合一侧到稳定层一侧，WS2的质量分数逐渐增大，所述稳定层中WS2的质量分数保持不变。


2.根据权利要求1所述的一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层，其特征是，所述WS2-TiB2单层中过渡层的厚度为稳定层的1/10～1/6。


3.根据权利要求1所述的一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层，其特征是，所述缓冲层由里向外依次包括第一TiN层和第二TiN层，其中第一TiN层贴靠Ti金属层，第二TiN层贴靠加强硬涂层，第二TiN层与加强硬涂层中Ti的质量分数相同且小于第一TiN层中Ti的质量分数，第一TiN层比第二TiN层厚100～200nm。


4.根据权利要求1所述的一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层，其特征是，所述复合涂层的厚度为4～6µm，其中底层的厚度为80～180nm，加强硬涂层厚度650～850nm，软硬复合层的厚度为2.5～4.2µm，其余为缓冲层，软硬复合层中TiAlN单层与WS2-TiB2单层的厚度相同。


5.如权利要求1-4任意所述的一种用于圆锯片的软硬结合复合涂层的制备方法，其特征是，包括如下步骤：
（1）清洗除油：将圆锯片基体置于质量浓度为5%～10%的非离子表面活性剂溶液中浸泡清洗后再置于丙酮中超声清洗，通风干燥后置于280～360℃煅烧1～3小时自然冷却至室温；
（2）底层制备：将冷却后的圆锯片基体置于真空炉中，先抽真空至3×10-1Pa～5×10-1Pa，然后抽真空至1.2×10-2Pa，加热炉体至500℃，向炉体内通入氩气使压力升至2Pa，开启Ti靶，电流2～3A...

【专利技术属性】
技术研发人员：张戈文，卢胜，
申请(专利权)人：缙云县先锋工具有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33