[发明专利]一种立方氮化硼涂层刀具及其制备方法

说明书

本发明提供了一种立方氮化硼涂层刀具及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：利用化学气相沉积技术(包括热丝化学气相沉积和微波等离子体化学气相沉积)在刀具基体衬底上沉积掺硼类金刚石，得到表面具有掺硼类金刚石过渡层的衬底，然后可选择地继续沉积掺硼金刚石，得到表面具有掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的衬底；利用微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积技术在表面具有掺硼类金刚石过渡层或掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的衬底上沉积立方氮化硼涂层。本发明提供的涂层刀具的制备方法易操作、可重复性好，涂层纯度和结晶度高，与衬底结合力强。该立方氮化硼涂层刀具可普遍应用于常规材料的切削加工，特别适用于一些难加工材料的切削。

技术领域

本发明涉及一种立方氮化硼涂层刀具及其制备方法，属于超硬材料薄膜制备技术领域。

背景技术

随着汽车、航空和航天工业的迅速发展，对材料的轻质量化、高比强度的要求日益提高，由于有色金属及合金、碳纤维增强塑料、玻璃纤维增强材料、金属基复合材料以及石墨、陶瓷等难加工材料的广泛应用，使得普通高速工具钢、硬质合金以及氮化硅陶瓷刀具已不能胜任这些材料的机械加工，迫切需要一种耐磨性更高、寿命更长、能稳定实现高精、高效、长时间机械切削加工的超硬刀具。

涂层在刀具中的应用减少了刀具的磨损，可大大提高刀具寿命、切削效率和加工精度，并降低刀具成本及消耗费用。立方氮化硼(cBN)和金刚石是目前得到广泛应用的两种超硬材料，它们的硬度远超硬质合金、氮化硅陶瓷、高速钢等刀具材料。cBN的硬度和热导率略低于金刚石，但热稳定性和化学稳定性优于金刚石，同时具备极小的摩擦系数和优良的耐磨性，是理想的刀具涂层材料。特别是，与金刚石不同，cBN在高温下不与铁系金属反应，在钢铁材料加工中具有金刚石无法比拟的优势，是加工一些难加工材料的理想刀具，如淬硬钢、冷硬钢、硬铸铁，以及对一般刀具磨损严重的硅铝合金。

如上面提到的，cBN与其他刀具材料相比具有独特的优势，能胜任各种合金、陶瓷等材料的加工，用于加工铁基材料更有独特优势，在相当高的切削温度下也能切削硬铸铁、耐热钢、淬火钢等，并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损严重的硅铝合金等难加工材料，因此具有广阔应用前景。目前cBN刀具的制造以聚晶立方氮化硼(PCBN)为基础，PCBN是采用高温高压法制备的cBN单晶粉体烧结而成的，其寿命比硬质合金及陶瓷刀具高十几倍到几十倍，切削速度高3～5倍，并可代替磨削进行高精度加工。由于目前的烧结工艺难以得到复杂形状的结构，所有只能得到形状简单的刀具，PCBN的超硬特性导致其刃磨加工也非常困难。目前，全球PCBN刀具潜在市场需求超过7亿美元，预计中国的市场总量约15亿人民币。而中国总的刀具市场在人民币400亿以上，每年增长15％以上，其中一半是涂层刀具，可见涂层刀具越来越受到市场欢迎。对比PCBN，cBN涂层可以应用于较复杂形状的刀具基体，并大幅提高刀具的寿命、切削效率和加工精度，且产业化成本比PCBN低很多，可以制造出高性价比、高经济性的高端刀具，对加工金刚石刀具无法胜任的铁系金属具有独特的优势。

目前有多种物理气相沉积(PVD)以及化学气相沉积(CVD)技术被用于制备cBN涂层，包括溅射、反应蒸镀、离子镀、激光蒸镀、射频CVD、电感耦合CVD、微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积(MW ECR CVD)等。其中，MW ECR CVD是近十几年来发展起来的新型薄膜制备技术。由于其电离度高、基团活性大、粒子能量易于控制等特点，日益受到人们的重视。采用MW ECR CVD制备cBN涂层，由于其具有高密度的等离子体，可以在较低的衬底温度下形成大面积均匀的cBN涂层。但是，上述这些方法的所存在的主要问题是，得到的cBN涂层存在大量的缺陷，涂层中有显著的内应力，导致涂层与基体的结合力差以及涂层厚度有限(200nm左右)。

因此，研发出一种新型的立方氮化硼涂层刀具的制备方法，仍是本领域亟待解决的问题之一。

发明内容