一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具、制备方法及装置制造方法及图纸

一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具、制备方法及装置，所述刀具表面设有金刚石/CBN涂层复合涂层，所述金刚石/CBN复合涂层由基层与表层构成，所述基层由纳米晶金刚石、微米晶金刚石交替设置构成，表层为立方氮化硼涂层。其制备方法包括除油脱脂、化学微刻蚀、等离子活化及等离子增强气态硼化、等离子清洗、金刚石泥浆超声研磨、种植纳米、微米金刚石籽晶、沉积金刚石/CBN复合涂层；所述设备包括炉体、炉膛、电加热体、等离子发生电源、样品台、加热灯丝。本发明专利技术制备的金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具膜层结构合理、膜基结合力好、切削性能优异，适于工业化大规模生产。

A diamond/CBN composite coated cemented carbide tool, its preparation method and device

The invention relates to a diamond/CBN composite coated cemented carbide tool, a preparation method and a device. The tool surface is provided with a diamond/CBN coating composite coating. The diamond/CBN composite coating consists of a base layer and a surface layer. The base layer is composed of nanocrystalline diamond and microcrystalline diamond alternately arranged, and the surface layer is a cubic boron nitride coating. The preparation method includes degreasing, chemical micro-etching, plasma activation and plasma enhanced gaseous boronization, plasma cleaning, ultrasonic grinding of diamond slurry, planting nano-and micron-sized diamond seed crystals, depositing diamond/CBN composite coatings; the equipment includes furnace body, furnace, electric heater, plasma generator, sample stand and heating filament. The diamond/CBN composite coated cemented carbide cutter film prepared by the invention has reasonable structure, good adhesion of film base and excellent cutting performance, and is suitable for industrial large-scale production.

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具、制备方法及装置
本专利技术公开了一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具、制备方法及装置，属于化学气相沉积

技术介绍
随着我国航空航天等现代制造业的快速发展，高强度超高强度钢的应用越来越广泛，传统的硬质合金刀具已经不能胜任加工这些材料；金刚石涂层刀具虽然力学性能优异，但其加工黑色金属时会与其反应，且不适用于高温加工，因此依旧不能胜任加工高强超高强度钢，立方氮化硼(CubicBoronNitride,cBN)是仅次于金刚石的超硬材料，有着优异的性能，如cBN在硬度与热导率方面仅次于金刚石，而热稳定性则显著优于金刚石，在大气中加热至1000℃也不发生氧化，对于黑色金属具有极为稳定的化学性能。相比于高温高压法制备的聚晶立方氮化硼(PolycrystallineCubicBoronNitride,PcBN)，利用化学气相沉积方法制备cBN涂层不仅可以适用于任何复杂形状的硬质合金刀具基体，成本也相对较低。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。但目前来说，立方氮化硼(cBN)薄膜研究领域主要存在以下间题,一是由于薄膜生长期间强烈的离子轰击,cBN薄膜中存在很大的内应力,使得cBN薄膜与衬底的粘附性很差,极易从衬底上剥落下来；二是cBN薄膜与衬底之间存在有aBN和tBN过渡层,cBN涂层纯度不够，结晶性较差，这限制了cBN作为刀具涂层的应用。而已有的研究发现，利用与cBN晶体结构、点阵常数接近的金刚石作为基体，可以实现金刚石涂层上异质外延生长立方氮化硼，从而避免形成aBN、tBN过渡层，来提高cBN的纯度，因此，为了使刀具上能够沉积出立方氮化硼涂层，可以先在其上先沉积一层金刚石涂层，再沉积立方氮化硼涂层。但依旧存在两个问题，一是纳米晶相比微米晶其结构与cBN更为接近，其异质外延生长cBN的效果更好，但其附着力较差，需要使用微米晶作为底层。二是沉积的cBN涂层应力与其下的金刚石涂层的应力不一致，从而应力不匹配影响膜基结合力，影响了刀具力学性能。现有技术沉积的微米纳米复合薄膜，只考虑到利用微米作为底层提高结合力，纳米作为顶层作为使用层提高切削性能，对其中应力问题考虑较少，最多也就考虑到在沉积过程中缓慢改变沉积参数形成一个应力慢慢变化的缓冲区来避免应力突变。
技术实现思路
本专利技术的目的克服现有技术之不足，提供一种膜层结构合理、膜基结合力好、切削性能优异的金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具、制备方法及装置。本专利技术一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，所述的金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具是在硬质合金刀具表面设有金刚石/CBN涂层复合涂层，所述金刚石/CBN复合涂层由基层与表层构成，所述基层由纳米晶金刚石、微米晶金刚石交替设置构成，表层为立方氮化硼涂层。本专利技术一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，在硬质合金刀具表面先沉积一层掺硼微米晶金刚石后再沉积金刚石/CBN复合涂层。本专利技术一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，在硬质合金刀具表面至少沉积1层金刚石/CBN复合涂层，优选沉积2～10层金刚石/CBN复合涂层。本专利技术一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，所述的金刚石/CBN中单层微米晶金刚石层的厚度为0.5～200μm、单层纳米晶金刚石层的厚度为0.01～2μm，单层立方氮化硼层的厚度为0.005～3μm，总层数不超过30层。本专利技术一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，所述金刚石/CBN复合涂层中，纳米晶金刚石层为部分掺硼金刚石或掺硼金刚石；微米晶金刚石层为部分掺硼金刚石或掺硼金刚石。本专利技术一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，所述金刚石/CBN复合涂层包括以下几种结构组成：由全部掺硼的纳米金刚石层、全部掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由全部掺硼的纳米金刚石层、部分掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由全部掺硼的纳米金刚石层、全部不掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由全部不掺硼的纳米金刚石层、全部掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由全部不掺硼的纳米金刚石层、部分掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由全部不掺硼的纳米金刚石层、全部不掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由部分掺硼的纳米金刚石层、全部掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由部分掺硼的纳米金刚石层、部分掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由部分掺硼的纳米金刚石层、全部不掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成。本专利技术一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，所述的金刚石/CBN复合涂层中，微米晶金刚石层中，微米晶金刚石的平均晶粒大小为0.5～10μm，纳米晶金刚石的平均晶粒大小为1～500nm。本专利技术一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，所述金刚石/CBN复合涂层采用热丝辅助射频偏压等离子体增强化学气相沉积法原位制备。本专利技术一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具的制备方法，包括下述步骤：第一步：除油脱脂、化学微刻蚀对硬质合金刀具坯料采用超声碱洗除去表面的油并微刻蚀刀具表面的碳化钨后，超声纯水漂洗除杂，随后，超声酸洗除锈并微刻蚀刀具表面的钴后，超声去离子水清洗净化、烘干；超声碱洗选用的碱性洗液选自包含但不限于铁氰化钾、氢氧化钾、氢氧化钠中的任何一种可用于刻蚀碳化钨的浓液；碱性洗液的质量百分浓度为50～100％；超声酸洗选用的酸性洗液为选自包含但不限于硫酸、硝酸、盐酸、双氧水中的任何一种可用于刻蚀钴的浓液；酸性洗液的质量百分浓度为10～40％；碱洗时间为5～25min，酸洗时间为5s～5min；超声波的功率为10～80WKw；第二步：等离子活化及等离子增强气态硼化将炉内抽真空后，将工件加热至300℃～1000℃，通入惰性气体或还原性气体，采用等离子来活化惰性气体或还原性气体，并对工件施加偏压加强等离子体轰击工件表面，从而活化工件表面；工件保温温度300℃～1000℃，等离子体功率100～1000，将工件置于偏压电极之间，偏压大小控制在10～60V，惰性气体或还原性气体流量控制在10～1000sccm，炉内压力控制在0.01～10Pa，保温时间为30min～2h后；将炉内温度提升100℃～300℃；等离子体功率为100～500W，偏压大小控制在-10～-80V，向炉内通入硼源，对工件表面进行等离子增强气态硼化，硼源气体流量控制在5～200sccm，控制炉内压力在3～80kPa，保温1h～10h；产生等离子的电源包括直流源、脉冲源、中频源、射频源中的一种；第四步：等离子清洗等离子增强气态硼化结束后，撤除硼源，向炉内通入惰性气体或还原性气体，控制炉内温度300℃～1000℃；等离子体功率为100～500W，气体流量控制在10～1000sccm，控制炉内压力在0.01～10Pa，保温30min～2h；第五步：金刚石泥浆超声研磨、种植纳米、微米金刚石籽晶将等离子清洗后的硬质合金刀具坯料置于金刚石泥浆中超声研磨，在刀具坯料表面种植纳米、微米金刚石籽晶；微米晶金刚石尺寸为0.5～200μm，纳米晶金刚石尺寸为1～500nm，微米晶金刚石与纳米晶金刚石的质量比为1：0.5～5，金刚石泥浆中金刚石质量分数为0.005～0.05wt％，处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述的金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具是在硬质合金刀具表面设有金刚石/CBN涂层复合涂层，所述金刚石/CBN复合涂层由基层与表层构成，所述基层由纳米晶金刚石、微米晶金刚石交替设置构成，表层为立方氮化硼涂层。

【技术特征摘要】
1.一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述的金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具是在硬质合金刀具表面设有金刚石/CBN涂层复合涂层，所述金刚石/CBN复合涂层由基层与表层构成，所述基层由纳米晶金刚石、微米晶金刚石交替设置构成，表层为立方氮化硼涂层。2.根据权利要求1所述的一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，其特征在于：在硬质合金刀具表面先沉积一层掺硼微米晶金刚石后再沉积金刚石/CBN复合涂层。3.根据权利要求2所述的一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，其特征在于：在硬质合金刀具表面至少沉积1层金刚石/CBN复合涂层。4.根据权利要求3所述的一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，其特征在于：所述的金刚石/CBN中单层微米晶金刚石层的厚度为0.5～200μm、单层纳米晶金刚石层的厚度为0.01～2μm，单层立方氮化硼层的厚度为0.005～3μm，总层数不超过30层。5.根据权利要求4所述的一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述金刚石/CBN复合涂层中，纳米晶金刚石层为部分掺硼金刚石或掺硼金刚石；微米晶金刚石层为部分掺硼金刚石或掺硼金刚石。6.根据权利要求5所述的一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述金刚石/CBN复合涂层包括以下几种结构组成：由全部掺硼的纳米金刚石层、全部掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由全部掺硼的纳米金刚石层、部分掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由全部掺硼的纳米金刚石层、全部不掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由全部不掺硼的纳米金刚石层、全部掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由全部不掺硼的纳米金刚石层、部分掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由全部不掺硼的纳米金刚石层、全部不掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由部分掺硼的纳米金刚石层、全部掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由部分掺硼的纳米金刚石层、部分掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成；或由部分掺硼的纳米金刚石层、全部不掺硼的微米金刚石层与立方氮化硼层构成。7.根据权利要求6所述的一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述的金刚石/CBN复合涂层中，微米晶金刚石层中，微米晶金刚石的平均晶粒大小为0.5～10μm，纳米晶金刚石的平均晶粒大小为1～500nm。8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述金刚石/CBN复合涂层采用热丝辅助射频偏压等离子体增强化学气相沉积法原位制备。9.一种金刚石/CBN复合涂层硬质合金刀具的制备方法，包括下述步骤：第一步：除油脱脂、化学微刻蚀对硬质合金刀具坯料采用超声碱洗除去表面的油并微刻蚀刀具表面的碳化钨后，超声纯水漂洗除杂，随后，超声酸洗除锈并微刻蚀刀具表面的钴后，超声去离子水清洗净化、烘干；超声碱洗选用的碱性洗液选自包含但不限于铁氰化钾、氢氧化钾、氢氧化钠中的任何一种可用于刻蚀碳化钨的浓液；碱性洗液的质量百分浓度为50～100％；超声酸洗选用的酸性洗液为选自包含但不限于硫酸、硝酸、盐酸、双氧水中的任何一种可用于刻蚀钴的浓液；酸性洗液的质量百分浓度为10～40％％；碱洗时间为5～25min，酸洗时间为5s～5min；超声波的功率为10～80WKw；第二步：等离子活化及等离子增强气态硼化将炉内抽真空后，将工件加热至300℃～1000℃，通入惰性气体或还原性气体，采用等离子来活化惰性气体或还原性气体，...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏秋平，马莉，周科朝，余志明，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43