本发明涉及刀具涂层领域，具体涉及一种低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层及其制备方法和应用。
背景技术：
1、切削sus304、sus316、sus301等不锈钢材料时，此类材料普遍存在粘性大，导热性差以及加工硬化现象，导致工具表面切削热聚积，切削温升较快，从而造成工具磨损严重，加工区域表面粗糙度差，使用寿命偏低，尤其当工具的加工进给量加大时，工具基体的表面强度不足，硬度不够，润滑性较差的特性尤为明显，工具一旦出现磨损，工具的加工阻力急剧加大，极大可能导致工具断裂，且工具磨损后，表面也变得粗糙，刀口极易粘附加工材料，产生积屑瘤，造成热量聚积，导致工具刀口崩裂。
2、在申请号为202310681051.4的中国专利中，通过在刀具基体与多层涂层之间设置韧性较好、硬度较低的粘结层提高涂层具有较高的结合强度，但未进行前处理硬度梯度设计，结合强度有待提高；高温退火后涂层的硬度是涂层结构热稳定性的一个主要力学参量，也是其能否长期使用的一个重要指标，该发明al基涂层抗氧化性能优异，但是高温下力学性能不足，刀具切削过程中容易发生磨损；在申请号为201680023831.8的中国专利中，实施例硬度显示为2200hv-3200hvg，硬度偏低，耐磨损性能有待提高；该发明目的是提高钛合金切削过程中抗黏附性能；该发明涂层成分主要为al元素，抗氧化性能优异，但是高温下力学性能不足，刀具切削过程中容易发生磨损；实施例显示涂层厚度3um左右，涂层厚度较薄，耐冲击性能有待提高；涂层制备过程中，经ar离子蚀刻后直接镀膜，未进行前处理硬度梯度设计，结合强度有待提高；在申请号为202310559774.7的中国专利中，使用磁控溅射方式，从实施例附图可看出涂层与基体间结合强度(lc1)较弱，氧化前部分实施例不足5n，耐崩裂性能较弱；实施例硬度仅有28.8gpa，耐磨损性能有待提高；涂层厚度较薄，实施例显示仅1um左右，耐冲击性能不强；涂层制备过程中，3组靶材同时溅射，工艺复杂，重复率低；在申请号为202410258123.9的中国专利中，采用电弧蒸发镀膜技术制备涂层，隔热al2o3层与润滑crn层线膨胀系数差异明显，所制备涂层表面硬度为33～40gpa，服役过程中容易发生剥落；表层为润滑crn层，摩擦系数0.3-0.4，润滑效果不佳。
技术实现思路
1、本发明设计开发了一种低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层，本发明的发明目的是解决现有刀具涂层高温硬度低、耐磨损性能不强、排屑困难的问题。
2、本发明设计开发了一种低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法，本发明的发明目的是在制备过程中通过涂层结构设计与工艺参数调整得到低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层。
3、本发明设计开发了一种低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的应用，本发明的发明目的是解决干式切削刀具中涂层的应用问题。
4、本发明提供的技术方案为：
5、一种低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法，包括如下步骤：
6、步骤一、将待镀样品清洗后置于镀膜炉，抽真空后进行离子注入；
7、步骤二、调节氩气流量，保持真空态，打开tizralcrsim靶电弧电源沉积粘结层；
8、步骤三、调节氮气和氩气流量的混合气体，保持真空态，沉积功能层；
9、步骤四、关闭氮气和氩气流，通入乙炔气体，保持真空态，沉积润滑层后，关闭tizralcrsim靶电弧电源，冷却，得到所述低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层。
10、优选的是，在所述步骤一中，所述待镀样品清洗过程包括：将所述待镀样品分别浸没在丙酮、去离子水和无水乙醇中分别超声波清洗10～20min，并风干表面。
11、优选的是，在所述步骤一中，抽真空至1.3×10-4pa进行离子注入，注入元素依次为zr、ti和n，注入能量为40kev～120kev，注入剂量均为0.5～2×1017ions·cm-2；其中，注入1×1017ions·cm-2时间为6h。
12、优选的是，在所述步骤一中，zr离子注入参数均为：离子束能量120kev～80kev，2小时调节一次，注入不均匀性为5％，注入剂量0.5～2×1017ions·cm-2；
13、ti离子注入参数均为：离子束能量80kev～40kev，2小时调节一次，注入不均匀性为5％；注入剂量0.5～2×1017ions·cm-2；以及
14、n离子注入参数均为：离子束能量120kev～80kev，2小时调节一次，注入不均匀性为5％；注入剂量0.5～2×1017ions·cm-2。
15、优选的是，在所述步骤二中，设置镀膜转速为2r/min～1r/min，待炉腔温度至400～480℃，且真空度低于5.0×10-3pa后开始依次沉积粘结层、功能层和润滑层；以及
16、调节氩气流量将真空保持至0.6～1.0pa，设置电流为90～120a，偏压-50～-350v，持续10～30min。
17、优选的是，在所述步骤三中，真空态保持至2.4～3.6pa，氮气和氩气分压比为1：2，设置电流为90～120a，偏压-50～-100v，持续60～120min。
18、优选的是，在所述步骤四中，将真空保持至0.3～0.6pa，设置电流为90～120a，偏压-50～-100v，持续10～30min。
19、优选的是，靶材选择为tiazrbalccrdsiemf，式m代表hf、y、nb中的一种或多种，式中a、b、c、d、e、f满足0.40≤a≤0.55，0.15≤b≤0.25，0.15≤c≤0.20，d＝0.10，e＝0.03，f＝0.02，a+b+c+d+e+f＝1。
20、一种低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层，使用所述的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法制备得到，所述低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层包括依次沉积的粘结层、功能层和润滑层；
21、其中，所述粘结层的化学组成及其质量百分比为：ti：40％～55％，zr：15％～25％，al：15％～20％，cr：10％，si：3％，m：2％；m代表hf、y、nb中的一种或多种；
22、所述功能层的化学组成及其质量百分比为：ti：20％～27.5％，zr：7.5％～12.5％，al：7.5％～10％，cr：5％，si：1.5％，m：1％，n：50％；m代表hf、y、nb中的一种或多种；
23、所述润滑层的化学组成及其质量百分比为：ti：20％～27.5％，zr：7.5％～12.5％，al：7.5％～10％，cr：5％，si：1.5％，m：1％，c：50％；m代表hf、y、nb中的一种或多种。
24、一种低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层在干式切削刀具中的应用，使用所述的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层。
25、本发明所述的有益效果：
26、1、本发明提供的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的成分中，tizr基涂层，高温下zr元素会直接促进热力学稳定的金红石型tio2的形成，并进一步导致形成致密的基于tio2的结构(当zr取代tio2中的ti形成(ti，zr)o2时)，增加涂层高温力学性能(高温硬度和高温耐磨损性能)；引入小半径si元素,在涂层中si元素主要以si3n4非晶形式存在，使得涂层逐渐致密，增加涂层硬度；al、cr会在氧化过程中生成al2o3、cr2o3保护性氧化层，可以有效地阻止氧气向硬质合金内的进一步扩散，保证涂层高的抗氧化性能；添加hf、y、nb元素能够产生固溶体强化提高涂层的强度硬度，所制备涂层具有较高的混合熵，趋向于形成简单固溶体或是非晶结构，可以达到高熵合金的强化要求；
27、2、本发明提供的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法中，能量变化的离子注入前处理，形成非晶强化层，众多研究表面离子注入可以有效提高材料的表面硬度，降低摩擦系数和磨损，且不改变材料表面形貌和粗糙度；本发明先注入大直径zr离子，注入能量为80kev～120kev；然后注入小直径ti离子，注入能量为40kev～80kev；最后注入更小直径的n离子，注入能量为80kev～120kev；zr离子和ti注入过程中以核碰撞为主，n离子注入过程中以电子碰撞为主，通过调控注入能量实现对注入元素位置分布的精准控制；离子注入后，表面层为由金属氮化物、氮原子过饱和固溶体等硬质相组成，深度约为50nm，次表面层主要由金属氮化物组成，随注入剂量的增加，原先相互隔离的损伤区发生重叠，最终形成长程无序的非晶层，受到外力时不存在晶界滑移等塑性变形形式，具有更高的强度和硬度，为表面涂层提高支撑作用；
28、3、本发明提供的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法中，通过调节转架转速(1r/min-2r/min)，交替沉积单层超过50nm-25nm厚度的纳米涂层，能够产生明显的“超晶格”强化效应，提高涂层硬度的同时也抑制了裂纹的层间扩展。表层碳化物润滑层，在硬质功能层基础上沉积碳化物润滑层，有效地调节涂层硬度和摩擦系数这两者矛盾，通过改变真空度和反应气体氮气、乙炔的流量，既可以保证涂层硬度的同时又能降低其摩擦系数。碳化物润滑涂层在切削过程中的自润滑效应可显著降低涂层刀具与工件之间的摩擦系数，具有出色的润滑效果；
29、4、本发明提供的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层为氮化物与碳化物复合结构，疏水性提升，功能层tizralcrsimn为多层等厚结构，润滑层tizralcrsimc为单层结构，氮化物与碳化物复合为首创结构，表面碳化物疏水性能提升，与基材相比制备复合涂层后疏水性提升27％-33％，进而表面抗污能力提升，在实际应用中可以减少外界杂质、加工助剂对表面的影响，提升表面能，利于实现功能层高硬、高强的同时，碳化物层的自润滑特性。
1.一种低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，所述待镀样品清洗过程包括：将所述待镀样品分别浸没在丙酮、去离子水和无水乙醇中分别超声波清洗10～20min，并风干表面。
3.如权利要求1或2所述的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，抽真空至1.3×10-4pa进行离子注入，注入元素依次为zr、ti和n，注入能量为40kev～120kev，注入剂量均为0.5～2×1017ions·cm-2；其中，注入1×1017ions·cm-2时间为6h。
4.如权利要求3所述的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤一中，zr离子注入参数均为：离子束能量120kev～80kev，2小时调节一次，注入不均匀性为5％，注入剂量0.5～2×1017ions·cm-2；
5.如权利要求4所述的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤二中，设置镀膜转速为2r/min～1r/min，待炉腔温度至400～480℃，且真空度低于5.0×10-3pa后开始依次沉积粘结层、功能层和润滑层；以及
6.如权利要求4所述的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤三中，真空态保持至2.4～3.6pa，氮气和氩气分压比为1：2，设置电流为90～120a，偏压-50～-100v，持续60～120min。
7.如权利要求6所述的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法，其特征在于，在所述步骤四中，将真空保持至0.3～0.6pa，设置电流为90～120a，偏压-50～-100v，持续10～30min。
8.如权利要求1、2、4-7中任一项所述的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法，其特征在于，靶材选择为tiazrbalccrdsiemf，式m代表hf、y、nb中的一种或多种，式中a、b、c、d、e、f满足0.40≤a≤0.55，0.15≤b≤0.25，0.15≤c≤0.20，d＝0.10，e＝0.03，f＝0.02，a+b+c+d+e+f＝1。
9.一种低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层，其特征在于，使用如权利要求1-8中任一项所述的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层的制备方法制备得到，所述低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层包括依次沉积的粘结层、功能层和润滑层；
10.一种低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层在干式切削刀具中的应用，其特征在于，使用如权利要求9所述的低成本钛锆基超硬自润滑工具涂层。
