[發明專利]基于微/納米金剛石過渡層的立方氮化硼涂層刀具的制備方法

有效

• 申請號: 201210089229.8
• 申請日: 2012-03-30
• 公開（公告）號: CN102586777A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 徐鋒;左敦穩;戶海峰;張旭輝;徐俊華;龔潺;張騁
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: C23C28/04
• 分類號: C23C28/04;C23C16/46;C23C16/27;C23C14/35;C23C14/06
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 瞿網蘭

技術領域

本發明涉及一種超硬材料薄膜制備技術，尤其是一種立方氮化硼涂層刀具的制備方法，具體地說是一種使用射頻磁控濺射法以微/納米金剛石為過渡層沉積立方氮化硼刀具涂層的制備方法。

背景技術

眾所周知，立方氮化硼（cBN）在硬度和熱導率方面僅次于金剛石，且熱穩定性極好，在大氣中1300℃以下不發生氧化反應，在真空中1550℃才開始向六方氮化硼（hBN）轉變，在1150℃以下不和鐵系金屬反應，結合cBN優良的耐磨性能、極小的摩擦系數，使cBN成為加工鋼鐵材料的理想刀具，特別適用于加工各種淬硬鋼、冷硬鋼等難加工材料。更為誘人的是，cBN的禁帶寬度約為6.4?eV，并能進行簡單的p型和n型摻雜，使它成為大功率高溫電子器件的首選材料。另外，cBN在大范圍波長區間的光線有很好的透過性，使它在光學窗口鍍膜領域也具有潛在的應用前景。目前cBN工具以高溫高壓工藝制備的聚晶立方氮化硼(PcBN)為主，用于制作形狀比較簡單的刀片，目前的燒結工藝還無法經濟可靠的進行復雜形狀PcBN刀具的制備，并且PcBN的高硬度導致其刃磨非常困難。相對于PcBN，cBN涂層可以適用于任何復雜形狀的硬質合金刀具基體，實現工業化生產后預期成本比PcBN低得多，具有顯著的經濟性，能夠成為具有較高性價比的高性能刀具。因此，cBN作為刀具涂層具有廣闊的應用前景，尤其適合金剛石涂層刀具不能勝任的黑色金屬加工。

研究發現，納米金剛石是最適宜cBN生長的襯底材料之一，其原因除了金剛石與cBN有相近的晶格常數外，更在于納米金剛石與cBN具有相同的納米晶粒結構，更為接近的表面自由能；大量的表面微觀缺陷為cBN提供了合適的成核區；同時納米級金剛石表面晶粒細小、粗糙度低，光滑的表面使得襯底能夠均勻的獲得轟擊離子的組分和能量，更有利于cBN最佳成核窗口的達成。但是納米級金剛石中非晶相含量較高，較高的薄膜殘余應力影響了涂層的硬度和膜/基結合性能。而微米級金剛石晶粒粗壯、表面粗糙度高、摩擦系數大、拋光難度大，不宜作為刀具涂層，但是其與基底結合性能很強。因此，本發明提出將微/納米金剛石涂層作為過渡層以實現cBN涂層刀具的制備，即在硬質合金刀具表面依次沉積微/納米金剛石過渡層與cBN涂層，其中，cBN為切削刀具提供了良好的化學惰性，微米金剛石過渡層提供與基底較強的結合能力，納米金剛石過渡層提供cBN生長的合適襯底材料，并以其優異的力學性能為cBN涂層提供了堅實的支撐。這些大大提高了cBN涂層與基體的結合強度，提高了cBN涂層刀具的應用范圍。

發明內容

本發明的目的是提供一種立方氮化硼涂層刀具制備方法。針對涂層與硬質合金基底結合性能較差的問題，發明一種使用微/納米金剛石作為過渡層沉積立方氮化硼涂層的方法。

為達到以上目的，本發明的采用如下技術方案：

一種基于微/納米金剛石過渡層的立方氮化硼涂層刀具的制備方法，其特征它包括以下步驟：

1）襯底預處理：使用WC-Co?硬質合金刀片作為襯底材料，先將WC-Co?硬質合金刀片置于丙酮溶液中超聲清洗8-15min，然后再置于用K₃Fe(CN)₆:KOH:H₂O以質量比1:0.8～1.2:8～12的比例混合而成的溶液中超聲清洗15-25min，再用濃度為65%硝酸和36%鹽酸以1:2～4的體積比配成的混合溶液浸泡不少于5min，最后用金剛石微粉懸濁液超聲研磨15-25min，并用去離子水清洗后，吹干待用，得到襯底；

2）鉭絲預處理：熱絲化學氣相沉積設備中的熱絲為鉭絲，將鉭絲拉直拉緊并固定在襯底上方，然后在不小于2～4%的碳源濃度下碳化25～35min；碳化后升起沉積臺，控制襯底與鉭絲的距離為4-8mm；

3）沉積微/納米金剛石過渡層：使用熱絲化學氣相沉積法在上述經過預處理的襯底上依次沉積微米級金剛石和納米級金剛石涂層，得到表面沉積有微/納米金剛石過渡層的襯底，控制微米級金剛石涂層的厚度為：0.5-2微米，納米級金剛石涂層的厚度為0.5-1微米；

4）表面沉積有微/納米金剛石過渡層的襯底表面預處理：在沉積立方氮化硼之前，使用Ar離子在-200V負偏壓下轟擊表面沉積有微/納米金剛石過渡層的襯底表面25～35min；

5）沉積立方氮化硼涂層：使用射頻磁控濺射設備在經過預處理的表面沉積有微/納米金剛石過渡層的襯底上沉積立方氮化硼涂層，得到結合強度滿足要求的立方氮化硼涂層刀具。