[发明专利]一种机床刀具用单晶硅片表面涂层Si3N4复合薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机床刀具用单晶硅片表面涂层Si₃N₄复合薄膜的方法

背景技术

机床刀具在切削过程中表现出切削温度高、工件硬化严重及工件表面塑性变形抗力大等特点，使得刀具更易损坏。因此要求切削加工的刀具材料不仅具有高的强度和韧性，尤其具有高的导热性能和抗热震性能。目前国内外用于合金刀具主要选用的材料有：硬质合金、陶瓷刀具和CBN(氮化硼)刀具等。硬质合金刀具硬度低，在高温下化学稳定性差，高温强度和硬度低。因此，为了避免过高的切削温度，只能采用很低的切削速度，加工效率低；陶瓷刀具具有硬度高、高温下化学稳定性好等优点，但导热系数低、韧性差，高速切削加工时，由于温度高且韧性差容易导致材料断裂；CBN刀具因价格昂贵而应用较少。相比之下，陶瓷材料由于各种增韧补强技术的发展，使之更有可能成为未来高速切削刀具，是一类很有发展前景的新型切削材料。因此，深入开展针对陶瓷材料切削的高强度、耐高温、高韧性的新型刀具材料，形成可有效提高加工效率的新工艺，并解决一批制约航空航天、国防军工、能源、化工、汽车等主要应用领域典型零件的加工技术难题，对提高我国相关行业关键零件的制造水平和推动整个机械工业的技术进步具有十分重要的意义。

纳米材料是近几年被十分重视的新型材料，其所具有的许多优异性能，可应用于许多领域。Si₃N₄具有超强的力学性能、很好的吸附性能，因而在材料领域引起了极大重视。但Si₃N₄在绝大部分溶剂中不溶，湿润性能差，很难与基底形成有效粘结。为了提高Si₃N₄的分散性并增加其与基底界面的结合力，必须通过对氮化钛的表面改性及基底表面组装活性基团等方法，来提高氮化钛与基底表面之间的界面结合程度，获得摩擦学性能良好的复合膜。

发明内容

本发明公开一种机床刀具用单晶硅片表面涂层Si₃N₄复合薄膜的方法，其目的在于克服现有技术采用硬质合金刀具在高温下化学稳定性差，高温强度和硬度低；陶瓷刀具虽然硬度高、高温下化学稳定性好，但导热系数低，高速切削时加工温度高、韧性差易断裂；CBN刀具价格昂贵等弊端。本发明提供一种在单晶硅片表面涂层Si₃N₄复合薄膜的方法用于制备机床刀具，工艺简单，自组装成的复合薄膜具有良好的减摩性能，提高刀具性能和使用寿命。

为实现这一目的，本发明采用单晶硅片作为基底材料，在其表面采用自组装方法制备磺酸基硅烷薄膜，再用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)分散液在硅烷表面制备Si₃N₄的复合薄膜。

一种机床刀具用单晶硅片表面涂层Si₃N₄复合薄膜的方法，其特征在于包括如下步骤：

A)先将单晶硅片浸泡在王水中加热5～6小时，在室温中自然冷却后取出，冲洗、干燥；

B)将A)干燥后的单晶硅片浸于体积比为H₂SO₄∶H₂O₂＝70∶30的溶液中，于室温下1小时，然后用去离子水超声清洗后放在防尘装置内的烘箱中再干燥；

C)再将B)处理后的单晶硅片浸入巯基硅烷浓度为0.1～1.0mmol/L的苯溶液中，静置6～8小时取出，冲洗后用氮气吹干；

D)再将C)处理后的单晶硅片置于质量浓度为30％～60％的硝酸中；在50～80℃下反应2小时，取出用去离子水冲洗，得到表面附有磺酸基硅烷薄膜的单晶硅片；

E)将Si₃N₄在室温下按0.1～0.2mg/ml放入N，N-二甲基甲酰胺分散剂，40W超声波分散1～3小时，得到稳定的悬浮液；

F)将D)得到的表面组装有磺酸基硅烷薄膜的单晶硅片浸入到E)制备好的Si₃N₄悬浮液中，在20～60℃静置2～24小时，取出用大量去离子水冲洗，冲洗后用氮气吹干，这样就得到表面沉积有Si₃N₄复合薄膜的单晶硅片。