一种立方氮化硼涂层刀具及其制备方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Cubic boron nitride coated cutter and preparation method thereof

The invention provides a cubic boron nitride coated cutter and a preparation method thereof. The preparation method includes the following steps: depositing boron-doped diamond on the tool substrate by chemical vapor deposition (including hot-filament chemical vapor deposition and microwave plasma chemical vapor deposition), obtaining a substrate with a boron-doped diamond-like transition layer on the surface, and then selectively continuing to deposit the boron-doped diamond. The substrate with boron-doped diamond/diamond-like carbon composite transition layer was deposited on the substrate with boron-doped diamond transition layer or boron-doped diamond/diamond-like carbon composite transition layer by microwave electron cyclotron resonance plasma chemical vapor deposition. The preparation method of the coating cutter provided by the invention is easy to operate, has good repeatability, high coating purity and crystallinity, and has strong adhesion with the substrate. The Cubic Boron Nitride Coated Tool can be widely used for cutting conventional materials, especially for cutting some difficult-to-machine materials.

【技术实现步骤摘要】
一种立方氮化硼涂层刀具及其制备方法
本专利技术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

技术介绍
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(MWECRCVD)等。其中，MWECRCVD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MWECRCVD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。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种立方氮化硼涂层刀具及其制备方法。该立方氮化硼(cBN)涂层刀具的制备方法利用微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积(MWECRCVD)技术对刀具进行cBN涂层的沉积，可得到高质量的cBN涂层刀具。为达到上述目的，本专利技术提供了一种立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其包括以下步骤：(一)掺硼类金刚石过渡层的沉积、或掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的沉积：其中，所述掺硼类金刚石(DLC)过渡层的沉积包括：利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)或热丝化学气相沉积(HFCVD)技术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；所述掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的沉积包括：(1)掺硼类金刚石过渡层的沉积：利用MPCVD或HFCVD技术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；(2)掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的沉积：利用MPCVD或HFCVD技术在表面具有掺硼类金刚石过渡层的衬底上沉积掺硼金刚石，得到表面具有掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的衬底；(二)立方氮化硼涂层的沉积：利用微波电子回旋共振等离子体化学气相沉积(MWECRCVD)技术在表面具有掺硼类金刚石过渡层的衬底、或表面具有掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的衬底上沉积立方氮化硼(cBN)涂层，得到所述的立方氮化硼涂层刀具。在上述制备方法中，优选地，利用微波等离子体化学气相沉积技术在刀具基体衬底上沉积掺硼类金刚石的工艺参数为：微波功率为1000～1500W，衬底温度为200～500℃(更优选为300℃)，反应气压为2～10Torr(更优选为3Torr)，含碳气源占气体总体积的1～5％(更优选为1％)，含硼气源占气体总体积的1000～10000ppm(更优选为5000～10000ppm)，气体总流量为100～300sccm(更优选为100sccm)(standardcubiccentimeterperminute，标准状态毫升/分)。在上述制备方法中，优选地，利用热丝化学气相沉积技术在刀具基体衬底上沉积掺硼类金刚石的工艺参数为：热丝与衬底的距离为6～12mm(更优选为8～10mm)，热丝温度为2000～2500℃(更优选为2000～2200℃)，衬底温度为200～500℃(更优选为300℃)，反应气压为3～10Torr(更优选为3Torr)，含碳气源占气体总体积的1～5％(更优选为2％)，含硼气源占气体总体积的1000～10000ppm(更优选为5000～10000ppm)，气体总流量为100～400sccm(更优选为200sccm)。在上述制备方法中，优选地，所述掺硼类金刚石过渡层的厚度为1～5μm。在上述制备方法中，优选地，利用微波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的衬底上沉积掺硼金刚石的工艺参数为：微波功率为1000～1500W，衬底温度为600～800℃(更优选为700～800℃)，反应气压为10～40Torr(更优选为30Torr)，含碳气源占气体总体积的0.5～2％(更优选为1％)，含硼气源占气体总体积的1000～12000ppm(更优选为10000～12000ppm)，气体总流量为100～300sccm(更优选为300sccm)。在上述制备方法中，优选地，利用热丝化学气相沉积技术在表面具有掺硼类金刚石过渡层的衬底上沉积掺硼金刚石的工艺参数为：热丝与衬底的距离为4～10mm(更优选为4～8mm)，热丝温度为2000～2700℃(更优选为2200～2600℃)，衬底温度为600～800℃(更优选为700～800℃)，反应气压为10～30Torr(更优选为20Torr)，含碳气源占气体总体积的0.5～2％(更优选为1％)，含硼气源占气体总体积的1000～12000ppm(更优选为8000～10000ppm)，气体总流量为200～400sccm(更优选为300sccm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其包括以下步骤：(一)掺硼类金刚石过渡层的沉积、或掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的沉积：其中，所述掺硼类金刚石过渡层的沉积包括：利用微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积技术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；所述掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的沉积包括：(1)掺硼类金刚石过渡层的沉积：利用微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积技术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；(2)掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的沉积：利用微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积技术在表面具有掺硼类金刚石过渡层的衬底上沉积掺硼金刚石，得到表面具有掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的衬底；(二)立方氮化硼涂层的沉积：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的衬底、或表面具有掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的衬底上沉积立方氮化硼涂层，得到所述的立方氮化硼涂层刀具。

【技术特征摘要】
1.一种立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其包括以下步骤：(一)掺硼类金刚石过渡层的沉积、或掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的沉积：其中，所述掺硼类金刚石过渡层的沉积包括：利用微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积技术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；所述掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的沉积包括：(1)掺硼类金刚石过渡层的沉积：利用微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积技术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；(2)掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的沉积：利用微波等离子体化学气相沉积或热丝化学气相沉积技术在表面具有掺硼类金刚石过渡层的衬底上沉积掺硼金刚石，得到表面具有掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的衬底；(二)立方氮化硼涂层的沉积：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的衬底、或表面具有掺硼金刚石/类金刚石复合过渡层的衬底上沉积立方氮化硼涂层，得到所述的立方氮化硼涂层刀具。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，利用微波等离子体化学气相沉积技术在刀具基体衬底上沉积掺硼类金刚石的工艺参数为：微波功率为1000～1500W，衬底温度为200～500℃，反应气压为2～10Torr，含碳气源占气体总体积的1～5％，含硼气源占气体总体积的1000～10000ppm，气体总流量为100～300sccm；利用热丝化学气相沉积技术在刀具基体衬底上沉积掺硼类金刚石的工艺参数为：热丝与衬底的距离为6～12mm，热丝温度为2000～2500℃，衬底温度为200～500℃，反应气压为3～10Torr，含碳气源占气体总体积的1～5％，含硼气源占气体总体积的1000～10000ppm，气体总流量为100～400sccm；优选地，所述掺硼类金刚石过渡层的厚度为1～5μm。3.根据权利要求1所述的制备方法，其中，利用微波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的衬底上沉积掺硼金刚石的工艺参数为：微波功率为1000～1500W，衬底温度为600～800℃，反应气压为10～40Torr，含碳气源占气体总体积的0.5～2％，含硼气源占气体总体积的1000～12000ppm，气体总流量为100～300sccm；利用热丝化学气相沉积技术在表面具有掺硼类金刚石过渡层的衬底上沉积掺硼金刚石的工艺参数为：热丝与衬底的距离为4～10mm，热丝温度为2000～2700℃...

【专利技术属性】
技术研发人员：何斌，张文军，
申请(专利权)人：香港城市大学，
类型：发明
国别省市：中国香港,81