[发明专利]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直流等离子体喷射化学气相沉积法在Si₃N₄衬底上以掺硼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?C以下不发生氧化反应，在真空中1550?C才开始向六方氮化硼（hBN）转变，在1150?C以下不和铁系金属反应，加上cBN有优良的耐磨性、极小的摩擦系数，使得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6.4eV,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刀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Si₃N₄陶瓷刀具基体，实现工业化生产后预期成本比PcBN低的多，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的加工。

研究发现，Si₃N₄陶瓷是制备金刚石过渡层的新型衬底材料，其原因除了Si₃N₄陶瓷是强度最高、韧性最好的陶瓷材料之一外，更在于其热膨胀系数和金刚石的热膨胀系数的差距比硬质合金的热膨胀系数和金刚石的热膨胀系数的差距相比来说更小；Si₃N₄陶瓷有较强的化学兼容性，有利于金刚石在衬底上形核；Si₃N₄陶瓷与金刚石有低热失配率可以获得低内应力的涂层，从而获得较高质量的金刚石涂层。此外，研究还发现金刚石是最适宜cBN生长的衬底材料，其原因是金刚石与cBN有相近的晶格常数，更为接近的表面自由能；金刚石大量的表面微观缺陷为cBN提供了合适的成核区；cBN和金刚石最佳的兼容性使得金刚石显然是cBN薄膜生长的优良衬底。但是Si₃N₄陶瓷是一种不导电材料，没有掺杂的金刚石也不导电，通常我们在沉积过程会对衬底施加一定的偏压来诱导离子轰击衬底，以沉积出更高质量的金刚石。然而，因为上述两种材料均不导电，所以无法在Si₃N₄衬底上以金刚石为过渡层沉积立方氮化硼时有效的对衬底施加直流偏压，这样就沉积不出cBN涂层。因此，本发明提出在Si₃N₄陶瓷衬底上沉积掺硼金刚石作为过渡层以实现cBN涂层刀具的制备，即在Si₃N₄陶瓷刀具表面依次沉积掺硼金刚石过渡层和cBN涂层，其中，cBN为刀具提供了良好的化学惰性，掺硼金刚石过渡层提供与Si₃N₄陶瓷基底较强的结合能力，也提供cBN生长的最佳衬底材料，其较好的导电性可以使得沉积系统能有效的对衬底施加直流偏压，同时，其优异的力学性能为cBN涂层提供坚实的支撑。这些大大提高了cBN涂层与基底的结合强度，提高了cBN涂层的应用范围。

发明内容

本发明的目的是针对硬质合金基底与金刚石过渡层结合力差，以及无法用一般直流偏压系统对不导电衬底及金刚石过渡层施加偏压的问题，发明一种使用Si₃N₄陶瓷作为衬底，掺硼金刚石作为过渡层的立方氮化硼涂层刀具的制备方法。

本发明的技术方案是：

一种立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其特征是它包括：