[發(fā)明專利]一種具有超硬膜涂層的刀具及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210139194.4
• 申請(qǐng)日: 2012-05-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102649331A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-08-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 相炳坤;李文帥;朱其豹;左敦穩(wěn);黎向鋒;孫業(yè)斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): B32B15/04
• 分類號(hào): B32B15/04;B32B9/04;C23C16/34;C23C16/44;C23C16/27;C23C14/06
• 代理公司: 南京匯盛專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 32238
• 代理人: 裴詠萍

技術(shù)領(lǐng)域

????本發(fā)明涉及一種具有超硬膜涂層的刀具及其制備方法。具體地說(shuō)，是在硬質(zhì)合金刀具基體上沉積晶態(tài)氮化碳或立方氮化硼復(fù)合涂層的方法，屬于涂層刀具制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

????高性能涂層刀具已成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志，它將刀具基體與硬質(zhì)薄膜相結(jié)合，由于基體保持了良好的韌性和較高的強(qiáng)度，而硬質(zhì)薄膜又具有高耐磨性和低摩擦系數(shù)的特點(diǎn)，使刀具的切削性能得到大大提高。刀具表面的硬質(zhì)涂層對(duì)材料有如下要求：高硬度和高耐磨性、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫氧化、低摩擦系數(shù)和與基體附著牢固。在硬質(zhì)薄膜材料中，顯微硬度超過(guò)50GPa?的只有3種：金剛石、立方氮化硼和氮化碳（β-C₃N₄，c-C₃N₄等硬質(zhì)相）。

金剛石由于其具有高硬度、低摩擦系數(shù)、高熱導(dǎo)率及較高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性質(zhì)，是比較理想的加工有色金屬、非鐵合金和非金屬材料的工具涂層材料。經(jīng)過(guò)二十多年的的持續(xù)努力，金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基體間的附著力問(wèn)題已經(jīng)解決，金剛石涂層刀具已進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。立方氮化硼在硬度和熱導(dǎo)率方面僅次于金剛石，且穩(wěn)定性極好，在大氣中1300℃以下不發(fā)生氧化反應(yīng)(金剛石600℃開(kāi)始氧化)?,在1150℃以下不和鐵系金屬反應(yīng)(金剛石在溫度達(dá)到700℃時(shí)開(kāi)始溶解于鐵而不宜加工鋼鐵材料),耐磨性能優(yōu)良、摩擦系數(shù)很低,非晶立方氮化硼涂層刀具和聚晶立方氮化硼刀具切削試驗(yàn)表明，立方氮化硼刀具非常適合加工鋼鐵材料及鈦合金等其他難加工材料。氮化碳是首個(gè)從理論上推導(dǎo)出的一種可以和金剛石各種性能相媲美而在自然界中尚未發(fā)現(xiàn)的新的化合物，理論研究表明?CN可能具有多種結(jié)構(gòu)，即α、β、立方、準(zhǔn)立方和類石墨相等。其中硬質(zhì)氮化碳（如α、β、立方、準(zhǔn)立方相）的理論預(yù)計(jì)硬度不僅可以和金剛石相媲美，甚至有些硬度超過(guò)金剛石，而且還具有高化學(xué)惰性、耐高溫氧化等優(yōu)異性能，氮化碳晶體的合成研究引起了世界上的廣泛關(guān)注，參考論文“氮化碳晶體的研究進(jìn)展”（《?新型碳材料》，2006年9月，第21卷3期），“高速鋼刀具鍍氮化碳超硬涂層研究”（《中國(guó)機(jī)械工程》2002年12月第13卷24期），及“高速鋼鍍氮化碳超硬涂層及其應(yīng)用研究”（《?核技術(shù)》2003年第26卷4期）等，經(jīng)過(guò)多年實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)發(fā)，目前制備成功的高含N非晶氮化碳硬度可達(dá)50～70多GPa,具有低磨損、高硬度、低摩擦系數(shù)、耐腐蝕等優(yōu)異性能，其涂層刀具的切削實(shí)驗(yàn)表明非晶氮化碳涂層刀具非常適合加工鋼鐵材料。微米和納米晶態(tài)氮化碳膜的制備研究也取得較大進(jìn)展，參考論文“Deposition?of?crystalline?C₃N₄?films?via?microwave?plasma?chemical?vapour?deposition”（Materials?Letters?，2007，61:2243-2246.），?“一種直流放電活性原子束噴射制備氮化碳納米薄膜的方法”（CN200610148157.4B）。類似于金剛石晶態(tài)膜機(jī)械性能遠(yuǎn)高于非晶的類金剛石膜機(jī)械性能一樣，晶態(tài)氮化碳膜在高硬度、耐磨損、高導(dǎo)熱性、高化學(xué)穩(wěn)定性、耐氧化性等方面應(yīng)該有著比非晶CN膜更優(yōu)異性能，純晶態(tài)氮化碳膜涂層刀具預(yù)計(jì)不僅適合加工有色金屬、非鐵合金、非金屬材料，也適合加工鋼鐵等材料。

制備金剛石涂層刀具技術(shù)中，一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是如何提高膜基附著力，目前采用對(duì)硬質(zhì)合金刀具的表面進(jìn)行預(yù)處理的方法（如酸堿兩步法、過(guò)渡層法等），克服了硬質(zhì)合金刀具中鈷等鐵系金屬對(duì)金剛石成核和生長(zhǎng)的不利影響，顯著提高了膜基附著力。金剛石涂層刀具制備技術(shù)已比較成熟，并走向工業(yè)化生產(chǎn)。

金剛石、氮化碳或立方氮化硼等超硬材料以膜中晶體顆粒大小，分為微米膜和納米膜（通常指膜中晶體顆粒小于200nm為納米膜）。微米膜硬度高、耐磨性好，但薄膜表面粗糙度較高；而納米膜表面晶粒細(xì)小、粗糙度低。純微米膜涂層刀具表面粗糙，僅用于粗加工和半精加工。因此對(duì)于氮化碳和氮化硼膜涂層，仍需要更加完善的工藝技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種表面光滑、摩擦系數(shù)低、高硬度、高耐磨性且涂層與刀具基體附著良好的刀具及其制備方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種具有超硬膜涂層的刀具，包括刀具基體及刀具基體上沉積的涂層；涂層包括微米級(jí)超硬膜和納米級(jí)超硬膜；微米級(jí)超硬膜直接沉積在刀具基體表面；納米級(jí)超硬膜沉積在微米級(jí)超硬膜表面；超硬膜選自晶態(tài)氮化碳膜或晶態(tài)立方氮化硼膜。