[发明专利]基于微/纳米金刚石过渡层的立方氮化硼涂层刀具的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超硬材料薄膜制备技术，尤其是一种立方氮化硼涂层刀具的制备方法，具体地说是一种使用射频磁控溅射法以微/纳米金刚石为过渡层沉积立方氮化硼刀具涂层的制备方法。

背景技术

众所周知，立方氮化硼（cBN）在硬度和热导率方面仅次于金刚石，且热稳定性极好，在大气中1300℃以下不发生氧化反应，在真空中1550℃才开始向六方氮化硼（hBN）转变，在1150℃以下不和铁系金属反应，结合cBN优良的耐磨性能、极小的摩擦系数，使cBN成为加工钢铁材料的理想刀具，特别适用于加工各种淬硬钢、冷硬钢等难加工材料。更为诱人的是，cBN的禁带宽度约为6.4 eV，并能进行简单的p型和n型掺杂，使它成为大功率高温电子器件的首选材料。另外，cBN在大范围波长区间的光线有很好的透过性，使它在光学窗口镀膜领域也具有潜在的应用前景。目前cBN工具以高温高压工艺制备的聚晶立方氮化硼(PcBN)为主，用于制作形状比较简单的刀片，目前的烧结工艺还无法经济可靠的进行复杂形状PcBN刀具的制备，并且PcBN的高硬度导致其刃磨非常困难。相对于PcBN，cBN涂层可以适用于任何复杂形状的硬质合金刀具基体，实现工业化生产后预期成本比PcBN低得多，具有显著的经济性，能够成为具有较高性价比的高性能刀具。因此，cBN作为刀具涂层具有广阔的应用前景，尤其适合金刚石涂层刀具不能胜任的黑色金属加工。

研究发现，纳米金刚石是最适宜cBN生长的衬底材料之一，其原因除了金刚石与cBN有相近的晶格常数外，更在于纳米金刚石与cBN具有相同的纳米晶粒结构，更为接近的表面自由能；大量的表面微观缺陷为cBN提供了合适的成核区；同时纳米级金刚石表面晶粒细小、粗糙度低，光滑的表面使得衬底能够均匀的获得轰击离子的组分和能量，更有利于cBN最佳成核窗口的达成。但是纳米级金刚石中非晶相含量较高，较高的薄膜残余应力影响了涂层的硬度和膜/基结合性能。而微米级金刚石晶粒粗壮、表面粗糙度高、摩擦系数大、抛光难度大，不宜作为刀具涂层，但是其与基底结合性能很强。因此，本发明提出将微/纳米金刚石涂层作为过渡层以实现cBN涂层刀具的制备，即在硬质合金刀具表面依次沉积微/纳米金刚石过渡层与cBN涂层，其中，cBN为切削刀具提供了良好的化学惰性，微米金刚石过渡层提供与基底较强的结合能力，纳米金刚石过渡层提供cBN生长的合适衬底材料，并以其优异的力学性能为cBN涂层提供了坚实的支撑。这些大大提高了cBN涂层与基体的结合强度，提高了cBN涂层刀具的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种立方氮化硼涂层刀具制备方法。针对涂层与硬质合金基底结合性能较差的问题，发明一种使用微/纳米金刚石作为过渡层沉积立方氮化硼涂层的方法。

为达到以上目的，本发明的采用如下技术方案：

一种基于微/纳米金刚石过渡层的立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其特征它包括以下步骤：

1）衬底预处理：使用WC-Co 硬质合金刀片作为衬底材料，先将WC-Co 硬质合金刀片置于丙酮溶液中超声清洗8-15min，然后再置于用K₃Fe(CN)₆:KOH:H₂O以质量比1:0.8～1.2:8～12的比例混合而成的溶液中超声清洗15-25min，再用浓度为65%硝酸和36%盐酸以1:2～4的体积比配成的混合溶液浸泡不少于5min，最后用金刚石微粉悬浊液超声研磨15-25min，并用去离子水清洗后，吹干待用，得到衬底；

2）钽丝预处理：热丝化学气相沉积设备中的热丝为钽丝，将钽丝拉直拉紧并固定在衬底上方，然后在不小于2～4%的碳源浓度下碳化25～35min；碳化后升起沉积台，控制衬底与钽丝的距离为4-8mm；

3）沉积微/纳米金刚石过渡层：使用热丝化学气相沉积法在上述经过预处理的衬底上依次沉积微米级金刚石和纳米级金刚石涂层，得到表面沉积有微/纳米金刚石过渡层的衬底，控制微米级金刚石涂层的厚度为：0.5-2微米，纳米级金刚石涂层的厚度为0.5-1微米；

4）表面沉积有微/纳米金刚石过渡层的衬底表面预处理：在沉积立方氮化硼之前，使用Ar离子在-200V负偏压下轰击表面沉积有微/纳米金刚石过渡层的衬底表面25～35min；

5）沉积立方氮化硼涂层：使用射频磁控溅射设备在经过预处理的表面沉积有微/纳米金刚石过渡层的衬底上沉积立方氮化硼涂层，得到结合强度满足要求的立方氮化硼涂层刀具。