[发明专利]含硼和氮的涂层及其制造方法

说明书

材料工艺继续进行着包括新型硬质材料的新型的、有用的工业材料的开发。这样的新型硬质材料没有限制地包括烧结的超细粉末金属、金属基复合材料、热处理的钢(硬度在约50～60rockwell C之间)和高温合金。这些材料已经开发出具有超常的性能组合，如强度、韧性、刚度、硬度、和耐磨性，这使得它们非常适用于重工业、航空业、运输和消耗品。

这些超常的性能组合对现存的用于新型硬质材料的制造和精加工方法的应用提出了挑战。非常简单的是，这些材料的钻孔、切削和成形是非常困难且昂贵的。为了使这些新型的硬质材料完全实现其商业潜力，人们必需克服这些困难。通过使用超硬材料的更强的切削刀具，人们可以最好地克服这些困难。

超硬材料比任何其它化合物明显更硬，可以用于钻孔、切削或成形其它材料，这样的材料包括金刚石和立方氮化硼(cBN)。金刚石的Knoop 100硬度约为75～100GPa或者更大，而cBN的Knoop 100硬度约为45GPa。碳化硼(B₄C)和二硼化钛(TiB₂)，是次一级的最硬材料，它们的硬度仅为约30Gpa。

金刚石可以在自然界发现，也可以合成。氮化硼，包括cBN是合成的(例如，见Wentorf Jr.的美国专利No.2,947,617)。合成的金刚石和合成的cBN都是用高温高压(HT-HP)条件(约5GPa和约1500℃，例如，见Y.Sheng&L.Ho-Yi的“立方氮化硼的高温烧结”，P/M’78-SEMP5,European Symposium on Powder Metallurgy,Stockholm,Sweden,June1978,pp.201-211)生产，然后烧结的。

目前，两种基本的超硬商品切削刀具包括多晶金刚石(PCD)切削刀具和多晶立方氮化硼(PCBN)切削刀具。PCD切削刀具的典型用途是硬质非铁基合金和难以切削的复合材料的加工。PCBN切削刀具一般用于硬质铁基材料的加工。在典型的多晶(PCD或PCBN)切削刀具中，切削刀刃包括一个钎焊在碳化物刀坯上的HT-HP超硬刀头。所说的刀头包括微米尺寸的HT-HP金刚石或HT-HP立方氮化硼(cBN)晶体，用合适的结合剂生长并结合在胶结的碳化物支持体上。在高压-高温(HP-HT)制造过程中，以及这些刀头的精加工过程中，都需要高成本。结果是PCD切削刀具和PCBN切削刀具非常昂贵。

除了昂贵以外，这些切削刀具通常包括一个单一刀头的刀具，其中所说的刀头具有较少的平面几何类型。即使这些切削刀具非常昂贵并且具有较少的类型，目前它们仍然是适用于经济地加工这些新型硬质的难切削材料的最好的(有时是唯一的)切削刀具。

通过金刚石低压沉积技术的发展，人们能够在切削刀具基质上沉积有限的涂层(或薄膜)而对切削刀具的几何形状没有明显的限制。虽然金刚石涂覆的切削刀具具有超过PCD切削刀具的优点，但是对于使用金刚石涂覆的切削刀具仍然有某些明显的限制。

金刚石切削刀具(即PCD和金刚石涂覆的切削刀具)的一个基本局限性是在高温使用过程中金刚石氧化成二氧化碳和一氧化碳。金刚石切削刀具的另一个主要局限性是金刚石(即碳)与某些材料的高化学活性。更具体地，含有铁、钴或镍中的任一种或多种的材料溶解金刚石中的碳原子。这些局限性表明，虽然金刚石切削刀具提供了某些优点，仍然有许多材料需要带有超硬涂层的切削刀具，但是对于这些材料，使用金刚石涂覆的切削刀具是不合适的。

非常明显的是，需要提供一种带有结合的超硬涂层的切削刀具，以克服金刚石涂覆的切削刀具存在的上述问题。更具体地，需要提供一种带有结合的超硬涂层的切削刀具，其中，所说的涂层在高温使用过程中不会氧化。同时需要提供一种带有结合的超硬涂层的切削刀具，其中，所说的涂层不会与含有铁、钴或镍中的任一种或多种的工件材料发生化学反应。

一种通过在高温下形成防护性氧化物(即硼的氧化物)而进行钝化从而不会在高温下氧化的超硬材料是氮化硼。此外，氮化硼不会与铁、钴或镍中的任一种或多种发生化学反应，使得含有这些组分的的一种或多种的工件不会溶解氮化硼。氮化硼的这些优异特性存在于氮化硼的各种晶型，例如，无定形氮化硼(aBN)、立方氮化硼(cBN)、六方氮化硼(hBN、纤锌矿型氮化硼(wBN)，其中，cBN具有特别好的性能。