CN102649331B - 一种具有超硬膜涂层的刀具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有超硬膜涂层的刀具及其制备方法，该刀具包括刀具基体及刀具基体上沉积的涂层；涂层包括微米级超硬膜和纳米级超硬膜；微米级超硬膜直接沉积在刀具基体表面；纳米级超硬膜沉积在微米级超硬膜表面；超硬膜选自晶态氮化碳膜或晶态立方氮化硼膜。本发明制备的复合涂层表面光滑、摩擦系数低、硬度高、耐磨性高，且与刀具基体附着良好。该涂层刀具不仅适合加工有色金属、非铁合金、非金属材料，也适合加工钢铁等材料；不仅适合用于半精加工，也适合用于精加工。

Description

一种具有超硬膜涂层的刀具及其制备方法

技术领域

    本发明涉及一种具有超硬膜涂层的刀具及其制备方法。具体地说，是在硬质合金刀具基体上沉积晶态氮化碳或立方氮化硼复合涂层的方法，属于涂层刀具制备技术领域。

背景技术

    高性能涂层刀具已成为现代刀具的标志，它将刀具基体与硬质薄膜相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，而硬质薄膜又具有高耐磨性和低摩擦系数的特点，使刀具的切削性能得到大大提高。刀具表面的硬质涂层对材料有如下要求：高硬度和高耐磨性、高化学稳定性、耐高温氧化、低摩擦系数和与基体附着牢固。在硬质薄膜材料中，显微硬度超过50GPa 的只有3种：金刚石、立方氮化硼和氮化碳（β-C₃N₄，c-C₃N₄等硬质相）。

金刚石由于其具有高硬度、低摩擦系数、高热导率及较高化学稳定性等优异性质，是比较理想的加工有色金属、非铁合金和非金属材料的工具涂层材料。经过二十多年的的持续努力，金刚石薄膜与硬质合金基体间的附着力问题已经解决，金刚石涂层刀具已进入工业化应用阶段。立方氮化硼在硬度和热导率方面仅次于金刚石，且稳定性极好，在大气中1300℃以下不发生氧化反应(金刚石600℃开始氧化) ,在1150℃以下不和铁系金属反应(金刚石在温度达到700℃时开始溶解于铁而不宜加工钢铁材料),耐磨性能优良、摩擦系数很低,非晶立方氮化硼涂层刀具和聚晶立方氮化硼刀具切削试验表明，立方氮化硼刀具非常适合加工钢铁材料及钛合金等其他难加工材料。氮化碳是首个从理论上推导出的一种可以和金刚石各种性能相媲美而在自然界中尚未发现的新的化合物，理论研究表明 CN可能具有多种结构，即α、β、立方、准立方和类石墨相等。其中硬质氮化碳（如α、β、立方、准立方相）的理论预计硬度不仅可以和金刚石相媲美，甚至有些硬度超过金刚石，而且还具有高化学惰性、耐高温氧化等优异性能，氮化碳晶体的合成研究引起了世界上的广泛关注，参考论文“氮化碳晶体的研究进展”（《 新型碳材料》，2006年9月，第21卷3期），“高速钢刀具镀氮化碳超硬涂层研究”（《中国机械工程》2002年12月第13卷24期），及“高速钢镀氮化碳超硬涂层及其应用研究”（《 核技术》2003年第26卷4期）等，经过多年实验研究开发，目前制备成功的高含N非晶氮化碳硬度可达50～70多GPa,具有低磨损、高硬度、低摩擦系数、耐腐蚀等优异性能，其涂层刀具的切削实验表明非晶氮化碳涂层刀具非常适合加工钢铁材料。微米和纳米晶态氮化碳膜的制备研究也取得较大进展，参考论文“Deposition of crystalline C₃N₄ films via microwave plasma chemical vapour deposition”（Materials Letters ，2007，61:2243-2246.）， “一种直流放电活性原子束喷射制备氮化碳纳米薄膜的方法”（CN200610148157.4B）。类似于金刚石晶态膜机械性能远高于非晶的类金刚石膜机械性能一样，晶态氮化碳膜在高硬度、耐磨损、高导热性、高化学稳定性、耐氧化性等方面应该有着比非晶CN膜更优异性能，纯晶态氮化碳膜涂层刀具预计不仅适合加工有色金属、非铁合金、非金属材料，也适合加工钢铁等材料。

制备金刚石涂层刀具技术中，一个关键技术问题是如何提高膜基附着力，目前采用对硬质合金刀具的表面进行预处理的方法（如酸碱两步法、过渡层法等），克服了硬质合金刀具中钴等铁系金属对金刚石成核和生长的不利影响，显著提高了膜基附着力。金刚石涂层刀具制备技术已比较成熟，并走向工业化生产。

金刚石、氮化碳或立方氮化硼等超硬材料以膜中晶体颗粒大小，分为微米膜和纳米膜（通常指膜中晶体颗粒小于200nm为纳米膜）。微米膜硬度高、耐磨性好，但薄膜表面粗糙度较高；而纳米膜表面晶粒细小、粗糙度低。纯微米膜涂层刀具表面粗糙，仅用于粗加工和半精加工。因此对于氮化碳和氮化硼膜涂层，仍需要更加完善的工艺技术。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种表面光滑、摩擦系数低、高硬度、高耐磨性且涂层与刀具基体附着良好的刀具及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供了一种具有超硬膜涂层的刀具，包括刀具基体及刀具基体上沉积的涂层；涂层包括微米级超硬膜和纳米级超硬膜；微米级超硬膜直接沉积在刀具基体表面；纳米级超硬膜沉积在微米级超硬膜表面；超硬膜选自晶态氮化碳膜或晶态立方氮化硼膜。

其中，微米级超硬膜的厚度为2μm-20μm，优选6μm-12μm；微米级超硬膜的晶体颗粒大小为0.3μm-5μm，优选0.5μm-1.5μm；纳米级超硬膜的厚度为200nm-2000nm，优选500nm-1000nm，纳米超硬膜的晶体颗粒大小为5nm-200nm，优选5nm-20nm。

上述涂层还包括过渡层；该过渡层沉积在刀具基体和微米级超硬膜之间；过渡层选自微米级金刚石膜、纳米级金刚石膜、微米级和纳米级复合金刚石膜、类金刚石膜、氮化钛膜、或碳化钛膜。当过渡层为微米级和纳米级复合金刚石膜时，该复合金刚石膜包括微米级金刚石膜和纳米级金刚石膜；微米级金刚石膜沉积在刀具基体表面，纳米级金刚石膜沉积在所述微米级金刚石膜表面。过渡层优选微米级金刚石膜、纳米级金刚石膜、微米级和纳米级复合金刚石膜，最佳为微米级和纳米级复合晶态金刚石膜。过渡层的厚度为200nm-2000nm，优选500nm-1000nm。

本发明还提供了上述刀具的制备方法，当涂层不具有过渡层时，包括以下步骤：

（1） 衬底预处理：对刀具基体进行表面清洁、金刚石悬浮液超声及等离子体放电清洗；

（2）微米级超硬膜沉积：用CVD法在刀具基体表面沉积一层微米级超硬膜；

（3）纳米级超硬膜沉积：改变工艺，用CVD法在微米级超硬膜表面原位沉积一层纳米级超硬膜。

当涂层具有过渡层时，包括以下步骤：

（1）衬底预处理：对所述刀具基体进行表面清洁、金刚石悬浮液超声及等离子体放电清洗；

（2）过渡层沉积：采用CVD或PVD法在刀具基体表面沉积过渡层；当所述过渡层为微米级金刚石膜、纳米级金刚石膜、微米级和纳米级复合金刚石膜、或类金刚石膜时，所述刀具基体在沉积过渡层前进行脱钴处理；当过渡层为微米级晶态金刚石膜、纳米级晶态金刚石膜、微米级和纳米级复合晶态金刚石膜时，采用CVD法在刀具基体表面沉积过渡层；

（3）微米级超硬膜沉积：用CVD法在过渡层表面沉积一层微米级超硬膜；

（4）纳米级超硬膜沉积：改变工艺，用CVD法在微米级超硬膜表面原位沉积一层纳米级超硬膜。

本发明相比现有技术具有以下优点：利用微米级超硬膜与刀具基体的高附着力，直接沉积在刀具表面，硬度高、耐磨性好，提供了优异的切削性能；利用纳米级超硬膜沉积在微米级超硬膜表面，降低刀具表面粗糙度，有利于减少切削力，提高工件表面光洁度和加工精度。同时采用过渡层，为晶态的超硬膜涂层提供生长的优选基底材料：利用微米级金刚石膜提供给与基体较强的结合能力，纳米级金刚石膜提供给晶态微米氮化碳或立方氮化硼膜生长的优选基底材料，使得晶态超硬膜与刀具基体的结合更加牢固。制备得到的纯晶态超硬膜涂层刀具不仅适合加工有色金属、非铁合金、非金属材料，也适合加工钢铁等材料；不仅适合用于半精加工，也适合用于精加工。其中氮化碳复合涂层刀具兼具金刚石和氮化碳刀具长处而无其短处，应用前景广阔。

附图说明

    图1为本发明无过渡层的刀具的结构示意图；

图2为本发明有过渡层的刀具的结构示意图。

图中，1-刀具基体，2-微米级超硬膜，3-纳米级超硬膜，4-过渡层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施方式对本发明内容作进一步详细说明，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图和实施例对本发明进行具体描述：

实施例1

参见图1，实施例1采用硬质合金刀具基体1，其表面其次沉积微米级超硬膜2和纳米级超硬膜3，制备过程如下：

(1)衬底预处理:将刀具基体1首先用丙酮超声清洗20min，再用乙醇超声清洗20min，之后用金刚石微粉悬浊液超声研磨20min，并用氩气辉光放电等离子清洗机清洗20min以备用；

(2)晶态微米氮化碳薄膜沉积：采用CVD法在刀具基体1表面直接沉积一层10μm左右厚的晶态微米氮化碳薄膜（微米级超硬膜2）。CVD法例如：射频辅助HFCVD法，微波等离子体CVD法，等离子体喷射CVD法等。

(3)晶态纳米超硬薄膜沉积：晶体微米氮化碳涂层制备结束后，改变为沉积晶态纳米超硬膜的工艺，在刀具涂层表面上再沉积一层500nm左右厚的晶态纳米超硬膜（纳米级超硬膜3），使刀具表面平整化，利于硬质合金刀具后续切削加工。

实施例2

如图2，实施例2采用硬质合金刀具基体1，其表面依次沉积过渡层4、微米级超硬膜2和纳米级超硬膜3，制备过程如下：

(1)   衬底预处理：取刀具基体1首先用丙酮超声清洗20min，再用乙醇超声清洗20min，为了降低Co对沉积金刚石膜的影响，用酸浸蚀剂浸蚀硬质合金2 min左右，再用金刚石微粉悬浊液超声研磨20min，并用氩气辉光放电等离子清洗机清洗20min以备用；

(2)   微/纳米金刚石复合过渡层沉积：将硬质合金刀具放入真空沉积设备，采用CVD法（偏压辅助HFCVD法，微波等离子体CVD法，等离子体喷射CVD法等）在刀具表面沉积一层800nm左右厚的晶态微米金刚石膜，再改变工艺沉积一层200nm左右厚的晶态纳米金刚石膜，从而得到微/纳米复合金刚石过渡层4；

(3)   晶态微米氮化碳或立方氮化硼薄膜沉积：采用CVD法在过渡层沉积一层10μm左右厚的晶态微米氮化碳或立方氮化硼薄膜（微米级超硬膜2）；

(4)   晶态纳米超硬膜沉积：晶态微米氮化碳或立方氮化硼涂层制备结束后，改变为沉积晶态纳米超硬膜的工艺，利用CVD法在刀具涂层表面原位沉积一层500nm左右厚的晶态纳米超硬膜（纳米级超硬膜3），使刀具表面平整光滑，从而得到微/纳米金刚石复合过渡层/晶态微米氮化碳或立方氮化硼/晶态纳米超硬膜复合涂层刀具。

实施例3

如图2，实施例3采用硬质合金刀具基体1，其表面依次沉积过渡层4、微米级超硬膜2和纳米级超硬膜3，制备过程如下：

(1)衬底预处理：取刀具基体1首先用丙酮超声清洗20min，再用乙醇超声清洗20min，之后用金刚石微粉悬浊液超声研磨20min，并用氩气辉光放电等离子清洗机清洗20min以备用；

(2)微米或纳米金刚石过渡层沉积：将硬质合金刀具放入真空沉积设备，采用CVD法（偏压辅助HFCVD法，微波等离子体CVD法，等离子体喷射CVD法）在刀具表面沉积一层0.8μm左右厚的微米或纳米晶态金刚石，从而得到微米或纳米金刚石过渡层4；

(3)晶态微米氮化碳或立方氮化硼薄膜沉积：采用CVD法在过渡层表面沉积一层10μm的晶态微米氮化碳或立方氮化硼薄膜（微米级超硬膜2）；

(4)晶态纳米超硬膜沉积：晶态微米氮化碳或立方氮化硼涂层制备结束后，改变为沉积晶态纳米超硬膜的工艺，利用CVD法在刀具涂层表面沉积一层900nm左右厚的晶态纳米级超硬膜3，使刀具表面平整化，从而得到微米或纳米晶态金刚石过渡层/晶态微米氮化碳或立方氮化硼/晶态纳米超硬膜复合涂层刀具。

实施例4

如图2，实施例4采用硬质合金刀具基体1，其表面依次沉积过渡层4、微米级超硬膜2和纳米级超硬膜3，制备过程如下：

(1)   衬底预处理：取刀具基体1首先用丙酮超声清洗20min，再用乙醇超声清洗20min，之后用金刚石微粉悬浊液超声研磨20min，并用氩气辉光放电等离子清洗机清洗20min以备用；

(2)   氮化钛或类金刚石等过渡层沉积：将硬质合金刀具放入真空沉积设备，采用PVD法（例如磁控溅射法）在刀具表面溅射沉积一层500nm左右厚的氮化钛或氮化钛或类金刚石涂层（过渡层4）；

(3)   晶态微米氮化碳或立方氮化硼薄膜沉积：取出硬质合金刀具，在氩气辉光放电等离子体清洗机中对表面轰击10min，放入CVD沉积设备，采用CVD法在过渡层上再沉积一层10μm左右厚的晶态微米氮化碳或立方氮化硼薄膜（微米级超硬膜2）；

(4)   晶态纳米超硬膜沉积：晶态微米氮化碳或立方氮化硼涂层制备结束后，改变为沉积晶态纳米超硬膜的工艺，利用CVD法在刀具涂层表面沉积一层500nm左右厚的晶态纳米超硬膜薄膜（纳米级超硬膜3），使刀具表面平整光滑，从而得到氮化钛或氮化钛或类金刚石/晶态微米氮化碳或立方氮化硼/晶态纳米超硬膜复合涂层刀具。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的情况下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有超硬膜涂层的刀具，包括刀具基体及刀具基体上沉积的涂层；其特征在于：所述涂层包括微米级超硬膜、过渡层和纳米级超硬膜；所述过渡层沉积在所述刀具基体和微米级超硬膜之间；所述纳米级超硬膜沉积在所述微米级超硬膜表面；所述超硬膜选自晶态氮化碳膜；所述过渡层选自微米级金刚石膜、纳米级金刚石膜、微米级和纳米级复合金刚石膜、类金刚石膜、氮化钛膜或碳化钛膜；所述微米级超硬膜的厚度为6μm-12μm；所述微米级超硬膜的晶体颗粒大小为0.5μm-1.5μm；所述纳米级超硬膜的厚度为500nm-1000nm；所述纳米级超硬膜的晶体颗粒大小为5nm-20nm。

2.根据权利要求1所述的具有超硬膜涂层的刀具，其特征在于：所述过渡层为微米级和纳米级复合金刚石膜；所述微米级和纳米级复合金刚石膜包括微米级晶态金刚石膜和纳米级晶态金刚石膜；所述微米级晶态金刚石膜沉积在所述刀具基体表面；所述纳米级晶态金刚石膜沉积在所述微米级晶态金刚石膜表面。

3.根据权利要求1所述的具有超硬膜涂层的刀具，其特征在于：所述过渡层的厚度为200nm-2000nm。

4.根据权利要求3所述的具有超硬膜涂层的刀具，其特征在于：所述过渡层的厚度为500nm-1000nm。

5.一种制备权利要求1所述的刀具的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）衬底预处理：对所述刀具基体进行表面清洁、金刚石悬浮液超声及等离子体放电清洗；

（2）过渡层沉积：采用CVD或PVD法在刀具基体表面沉积过渡层；当所述过渡层为微米级金刚石膜、纳米级金刚石膜、微米级和纳米级复合金刚石膜、或类金刚石膜时，所述刀具基体在沉积过渡层前进行脱钴处理；

（3）微米级超硬膜沉积：用CVD法在过渡层表面沉积一层微米级超硬膜；

（4）纳米级超硬膜沉积：改变工艺，用CVD法在微米级超硬膜表面原位沉积一层纳米级超硬膜。