[发明专利]一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具及其制备方法

说明书

本发明提供了一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将预处理后的PCBN刀具在纳米金刚石粉中进行干抛至光亮，然后置于基台上，放入微波等离子体化学气相沉积系统中抽真空，抽真空后通入第一反应源气体；开启微波等离子体化学气相沉积系统，微波激发第一反应源气体产生等离子体球，然后通入第二反应源气体开始沉积，沉积完成后得到表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具；所述制备方法优化了微波等离子体化学气相沉积工艺，通过调控制备条件，在刀具表面均匀沉积纳米级金刚石涂层，有效提高了金刚石涂层的薄膜质量与稳定性，延长了刀具的使用寿命，具有较好的工业化应用前景。

技术领域

本发明属于超硬材料薄膜制备技术领域，具体涉及一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具及其制备方法。

背景技术

近年来，聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN)刀具作为一种新型的超硬材料，在现代精密加工中得到了越来越多的应用，尤其是在高速切削、硬态切削、干切削等领域表现出其他刀具材料无法比拟的优越性。PCBN是硬度仅次于金刚石的人工合成物质，但与金刚石刀具不同，PCBN刀具与Fe亲和力差，特别适用于黑色金属的切削加工；与硬质合金刀具相比，PCBN刀具的耐用度是其10倍以上，且在高速切削超高强度材料和化学活性材料时切削力小，在切削过程中不产生积屑瘤；与陶瓷刀具相比，PCBN刀具具有更高的硬度、耐磨性和导热性，更优良的化学稳定性、热稳定性及加工红硬性，并且在特定的切削条件下可以实现以车代磨，使被加工工件获得较高的加工精度和表面质量的同时也大大提高生产效率。但由于PCBN刀具的成本较高，如果不能保证其在加工过程中获得较长的寿命，就会使生产成本提高，同时刀具的严重磨损会使工件报废而需要重新加工，严重影响了生产效率和经济效益。因此，找到提高刀具的耐磨性和使用寿命的方法具有重要的实际意义。

在PCBN刀具表面覆盖一层金刚石薄膜是延长其使用寿命的有效手段。现有的化学气相沉积金刚石薄膜涂层技术以热丝化学气相沉积(Hot Filament Chemical VaporDeposition，HFCVD)法为主，但是HFCVD法制备工艺复杂，制备出的金刚石薄膜中存在灯丝的污染，在提高薄膜质量方面有较大的难度。此外，由于HFCVD法中灯丝的温度通常要大于2000℃，导致灯丝材料向反应腔中挥发，从而向薄膜中引入了杂质，降低了金刚石膜的纯度，导致重复性和成品率较低。此外，基体材质主要集中在金刚石刀具、硬质合金刀具和陶瓷刀具上，且涂层刀具表面的金刚石薄膜大多为微米级。然而，微米金刚石薄膜的晶粒粗大、不均匀，涂层表面较为粗糙，难以进行表面抛光处理，同时会导致刀具与工件接触时产生较大的磨损和较高的切削力，从而严重影响涂层刀具的使用寿命。

CN105861995A公开了一种ZrTiN-MoS₂/Ti/Zr叠层涂层刀具及其制备工艺，该刀具基体材料为高速钢、硬质合金、立方氮化硼或金刚石，刀具表面为MoS₂/Ti/Zr润滑涂层，且由基体到涂层表面依次为Ti过渡层、Ti/Zr过渡层、ZrTiN硬质涂层和MoS₂/Ti/Zr润滑涂层交替的叠层复合结构；该刀具涂层较多，且其采用电弧镀与中频磁控溅射复合镀膜方法制备得到，工艺流程较为复杂，成本较高。

CN106637143A公开了一种MPCVD金刚石薄膜的制备方法，该方法采用惰性气体Ar作为沉积过程中的催化气体，以起到细化金刚石薄膜的晶粒，提高金刚石薄膜的硬度，改善金刚石薄膜质量的作用；但惰性气体Ar会造成氢气浓度的降低，导致没有足够多的活性氢原子对其刻蚀，造成非金刚石相成分的增加，影响金刚石薄膜的质量。

综上所述，如何提供一种工艺流程简单，且能在PCBN刀具表面均匀沉积一定厚度的、连续且致密的薄膜涂层，保证其与基体的结合力和支撑力不发生变化，提高切削性能，成为当前亟需解决的问题。

发明内容