基于電火花沉積制備的自潤滑涂層刀具及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種基于電火花沉積制備的自潤滑涂層刀具及其制備方法，屬于機械切削刀具制造【技術(shù)領(lǐng)域】。該刀具基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，采用軟金屬微細管狀電極或端面帶微結(jié)構(gòu)的電極，在管狀電極或電極的微結(jié)構(gòu)中填充滿固體潤滑劑，然后在刀具表面采用電火花沉積制備自潤滑涂層。本發(fā)明利用電火花沉積技術(shù)，使該刀具在干切削時不僅具有自潤滑效應(yīng)，還具有高的結(jié)合強度，這種結(jié)果，一方面能極大地改善刀具干切削時的摩擦潤滑狀態(tài)，可減小摩擦、阻止粘結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損，另一方面，可以提高刀具的使用壽命。該自潤滑涂層刀具可廣泛應(yīng)用于干切削和難加工材料的切削加工。
【專利說明】基于電火花沉積制備的自潤滑涂層刀具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機械切削刀具制造【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于電火花沉積制備的自潤滑涂層刀具及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在切削加工過程中，刀具前刀面、后刀面不斷與切屑和工件接觸，并發(fā)生強烈摩擦，會造成刀具鈍化，工件表面質(zhì)量惡化。同時，摩擦還會造成大量能量損耗。目前，國內(nèi)外減小刀具切削加工時的摩擦磨損的主要辦法是使用具有一定潤滑作用的切削液。但是在高速切削下，由于切削高溫較高，在切削高溫作用下，切削液潤滑存在潤滑不充分、性能衰退等缺點。因此，對于高速切削和干切削等存在很高切削高溫的場合，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)不能滿足潤滑的要求。
[0003]另一方面，切削液的制造、使用、處理及排放需消耗大量的能源和資源，研究表明: 使用切削液一項的費用約占零件制造成本的17%，甚至更高。并且切削液在各個時期均會對環(huán)境造成嚴重的污染，嚴重破壞了生態(tài)環(huán)境，危害人體健康。解決這一問題的最有效途徑是采用少、無切削液的對環(huán)境友好的綠色干切削技術(shù)。但由于干切削(尤其是高速干切削) 時摩擦條件異常嚴酷，切削溫度極高，刀具熱磨損十分嚴重，導(dǎo)致刀具壽命偏低。
[0004]自潤滑涂層刀具是解決這一問題的有效途徑，它對阻止粘結(jié)、減小摩擦、降低磨損、提高刀具壽命、降低加工成本、減小資源消耗和防止切削液對環(huán)境的污染，實現(xiàn)綠色加工具有重大的理論和實際意義。因此，可以說自潤滑涂層刀具是一種潔凈的綠色加工刀具。
[0005]國內(nèi)外學(xué)者對自潤滑涂層刀具進行了許多研究，但是如何同時保證刀具自潤滑涂層的結(jié)合強度、厚度、自潤滑性能等方面的問題仍然未能有效解決。特別是涂層一旦發(fā)生局部損傷后，就不能修復(fù)，很容易導(dǎo)致整個涂層的破壞脫落。比如當涂層產(chǎn)生較大應(yīng)力時，就會產(chǎn)生裂紋、剝落等，導(dǎo)致失效。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的目的在于 克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于電火花沉積制備的自潤滑涂層刀具及其制備方法。通過電火花沉積使自潤滑涂層與基體形成冶金型牢固結(jié)合， 同時軟金屬與固體潤滑劑形成的自潤滑涂層，能夠產(chǎn)生潤滑的協(xié)同作用，提高自潤滑性能。 使該刀具在干切削時不僅具有自潤滑效應(yīng)，還具有高的結(jié)合強度，這種結(jié)果，一方面能極大地改善刀具干切削時的摩擦潤滑狀態(tài)，可減小摩擦、阻止粘結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損，另一方面，可以提高自潤滑涂層刀具的使用壽命。
[0007]本發(fā)明是通過以下方式實現(xiàn)的。
[0008]基于電火花沉積制備的自潤滑涂層刀具，基體材料為高速鋼或硬質(zhì)合金，在刀具前刀面采用電火花沉積方法沉積自潤滑涂層，與刀具基體形成冶金型牢固結(jié)合的自潤滑涂層，自潤滑涂層由軟金屬和固體潤滑劑組成。
[0009]自潤滑涂層刀具的制備方法，采用軟金屬微細管狀電極或端面帶微結(jié)構(gòu)的電極，在管狀電極或電極的微結(jié)構(gòu)中填充滿固體潤滑劑，然后在刀具表面采用電火花沉積制備自潤滑涂層，其制備方法為:
(一)電極的制備
(I)將數(shù)根軟金屬微細管捆扎在一起作為電極，并在電極中填充固體潤滑劑。微細管的直徑為0.5-3mm，微細管的數(shù)量為3_12。
[0010](2)將軟金屬制備成電極，然后在電極端面加工出微孔或微線槽，并在其中填充固體潤滑劑。微孔直徑為0.5-3mm，深度為1-1Omm ;微線槽外觀為環(huán)狀或直線狀溝槽，內(nèi)部為條狀溝槽，槽寬為0.1?Imm,深度為0.5?5mm,槽間距為0.1?1mm。
[0011]上述電極制備中，所述軟金屬為銅、鎳、鋅、錫，固體潤滑劑為BN、MoS2、CaF2、WS2、 BN或石墨。
[0012](二)刀面表面自潤滑涂層的沉積
(I)先將刀具基體材料用80-200#砂紙打磨，去除基體表面的氧化膜，然后再選用 600-1000#砂紙進行打磨，接著用丙酮進行超聲清洗5-15min，去除表面油污，然后放入真空干燥箱內(nèi)干燥后，備用。
[0013](2)將刀具基體材料安裝在沉積機的工作臺上，將電極安裝在沉積機的手柄上。
[0014](3)開啟脈沖電源，保持放電電壓為60-90V，放電電流為1.5-10A，放電脈沖寬度為20-80此，電極的移動速度盡量保持勻速，電極與基體表面的夾角保持在60° -90°范圍內(nèi)，然后按一定的方向使電極勻速的在工件表面上左右移動，以保證沉積層的質(zhì)量。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明利用電火花沉積技術(shù)，使自潤滑涂層與基體具有冶金結(jié)合的特點，結(jié)合力強，利用軟金屬(本身也是良好的固體潤滑劑)與固體潤滑劑的協(xié)同作用提高自潤滑性能，從根本上解決了自潤滑涂層刀具的自潤滑涂層結(jié)合力小、涂層較薄的問題。該刀具在干切削時不僅具有自潤滑效應(yīng)，還具有高的結(jié)合強度，這種結(jié)果，一方面能極大地改善刀具干切削時的摩擦潤滑狀態(tài)，可減小摩擦、阻止粘結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損，另一方面，可以提高刀具的使用壽命。
[0016]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]附圖為微孔在銅電極端面的排列方式。圖中，I為填充固體潤滑劑的微孔，2為銅電極。
【具體實施方式】
[0018]下面給出本發(fā)明的三個最佳實施例:
實施例1:
一種基于電火花沉積制備的自潤滑涂層刀具及其制備方法，該刀具的基體材料為YT15 硬質(zhì)合金，電極采用銅微管捆扎而成。具體制備步驟如下:
(一)電極的制備
將6根直徑Imm的銅管填充BN粉末，顆粒平均直徑為2微米。然后將6根銅管用細銅絲緊緊捆扎成一體，將整個捆好的銅管作為電極。
[0019](二)刀面表面自潤滑涂層的沉積(I)先將刀具基體材料用80#砂紙打磨，去除基體表面的氧化膜，然后再選用600#砂紙進行打磨，接著用丙酮進行超聲清洗15min，去除表面油污，然后放入真空干燥箱內(nèi)干燥后， 備用。
[0020](2)將刀具基體材料安裝在沉積機的工作臺上，將電極安裝在沉積機的手柄上。
[0021](3)開啟脈沖電源，保持放電電壓為90V，放電電流為2A，放電脈沖寬度為30此，電極的移動速度盡量保持勻速，電極與基體表面的夾角保持在60° -90°范圍內(nèi)，然后按一定的方向使電極勻速的在工件表面上左右移動，以保證沉積層的質(zhì)量。
[0022]實施例2:
一種基于電火花沉積制備的自潤滑涂層刀具及其制備方法，該刀具的基體材料為 W6Mo5Cr4V2高速鋼，采用銅制備成圓柱電極，端面加工微孔。具體制備步驟如下:
(一)電極的制備
將純銅制備成直徑為6mm的電極，在其端面鉆削出微孔，微孔直徑為1mm，深度為5mm， 在其中填充MoS2固體潤滑劑，顆粒平均直徑為2um。微孔的排列方式如圖所示。
[0023]二)刀面表面自潤滑涂層的沉積
(I)先將刀具基體材料用80#砂紙打磨，去除基體表面的氧化膜，然后再選用600#砂紙進行打磨，接著用丙酮進行超聲清洗15min，去除表面油污，然后放入真空干燥箱內(nèi)干燥后， 備用。
[0024](2)將刀具基體材料安裝在沉積機的工作臺上，將電極安裝在沉積機的手柄上。
[0025](3)開啟脈沖電源，保持放電電壓為90V，放電電流為1.5A，放電脈沖寬度為20此， 電極的移動速度盡量保持勻速，電極與基體表面的夾角保持在60° -90°范圍內(nèi)，然后按一定的方向使電極勻速的在工件表面上左右移動，以保證沉積層的質(zhì)量。
.[0026]實施例3:
一種基于電火花沉積制備的自潤滑涂層刀具及其制備方法，該刀具的基體材料為YT15 硬質(zhì)合金，電極采用鎳微管捆扎而成。具體制備步驟如下:
(一)電極的制備
將5根直徑2mm的鎳管填充BN粉末，顆粒平均直徑為2微米。然后將5根鎳管用細銅絲緊緊捆扎成一體，將整個捆好的鎳管作為電極。
[0027](二)刀面表面自潤滑涂層的沉積
(I)先將刀具基體材料用80#砂紙打磨，去除基體表面的氧化膜，然后再選用600#砂紙進行打磨，接著用丙酮進行超聲清洗15min，去除表面油污，然后放入真空干燥箱內(nèi)干燥后， 備用。
[0028](2)將刀具基體材料安裝在沉積機的工作臺上，將電極安裝在沉積機的手柄上。
[0029](3)開啟脈沖電源，保持放電電壓為90V，放電電流為2A，放電脈沖寬度為30此，電極的移動速度盡量保持勻速，電極與基體表面的夾角保持在60° -90°范圍內(nèi)，然后按一定的方向使電極勻速的在工件表面上左右移動，以保證沉積層的質(zhì)量。
【權(quán)利要求】
1.基于電火花沉積制備的自潤滑涂層刀具，基體刀具材料采用硬質(zhì)合金或高速鋼，其特征在于:利用電極在基體表面進行電火花沉積，與刀具基體形成冶金型牢固結(jié)合的自潤滑涂層，自潤滑涂層由軟金屬和固體潤滑劑組成。
2.基于電火花沉積制備的自潤滑涂層刀具的制備方法，其特征在于電極材料采用軟金屬微細管狀電極或端面帶微結(jié)構(gòu)的電極，在管狀電極或電極的微結(jié)構(gòu)中填充滿固體潤滑劑，然后在刀具表面采用電火花沉積制備自潤滑涂層，其制備方法為:(一)電極的制備(1)將數(shù)根軟金屬微細管捆扎在一起作為電極，并在電極中填充固體潤滑劑，微細管的直徑為0.5-3mm，微細管的數(shù)量為3_12 ；(2)將軟金屬制備成電極，然后在電極端面加工出微孔或微線槽，并在其中填充固體潤滑劑，微孔直徑為0.5-3mm，深度為1-1Omm ;微線槽外觀為環(huán)狀或直線狀溝槽，內(nèi)部為條狀溝槽，槽寬為0.1?1_，深度為0.5?5mm,槽間距為0.1?1_ ；(二)刀面表面自潤滑涂層的沉積(1)先將刀具基體材料用80-200#砂紙打磨，去除基體表面的氧化膜，然后再選用 600-1000#砂紙進行打磨，接著用丙酮進行超聲清洗5-15min，去除表面油污，然后放入真空干燥箱內(nèi)干燥后，備用；(2)將刀具基體材料安裝在電火花沉積機的工作臺上，將電極安裝在電火花沉積機的手柄上；開啟脈沖電源，保持放電電壓為60-90V，放電電流為1.5-10A，放電脈沖寬度為 20-80此，電極的移動速度盡量保持勻速，電極與基體表面的夾角保持在60° -90°范 圍內(nèi)，然后按一定的方向使電極勻速的在工件表面上左右移動，以保證沉積層的質(zhì)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的軟金屬為銅、鎳、鋅、錫，固體潤滑劑為BN、MoS2,CaF2、 WS2、BN或石墨。
【文檔編號】C23C26/02GK103436883SQ201310341021
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月7日
【發(fā)明者】曹同坤, 單春生 申請人:青島科技大學(xué)