CN106119798A - 阳极膜线性离子源辅助立方氮化硼涂层刀具的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种阳极膜线性离子源辅助立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其特征是它的主要步骤有：刀具衬底的预处理；将衬底放入阳极膜线性离子源辅助射频磁控溅射沉积系统中沉积立方氮化硼（cBN）涂层，沉积具体参数：N₂和Ar的流量分别为5‑10sccm、25‑40sccm，衬底置于靶材上方约90mm，衬底负偏压100‑220V，衬底温度为600‑900˚C，射频功率300W，阳极膜线性离子源功率100‑300W，本底真空度5×10^‑4Pa，沉积气压0.5Pa，沉积时间4‑5h。本发明工艺简单、操作较容易，涂层与基底结合性能得到明显提升，刀具韧性得到极大提高。

Description

阳极膜线性离子源辅助立方氮化硼涂层刀具的制备方法

技术领域

本发明涉及一种超硬材料薄膜制备技术，尤其是一种利用阳极膜线性离子源辅助立方氮化硼涂层刀具的制备方法，具体地说是一种使用阳极膜线性离子源辅助射频磁控溅射气相沉积法在多种刀具衬底上沉积立方氮化硼刀具涂层的制备方法。

背景技术

阳极膜线性离子源是一种具有闭合电子迁移和发射沟道的冷阴极离子源，其主要组成部分包括磁路、阴极、阳极、布气机构和驱动电源等部分。其中离子发射沟道和阳极被磁路所包围。放电沟道内具有很强的磁场，将电子约束在其中，在正交的电场和磁场的作用下，电子在沟道内进行闭环迁移并形成电子流。闭环迁移的电子与气体发生碰撞时，气体电离为离子和电子，大幅度提高了气体的离化率。当直流正电位施加在阳极上时，阳极表面形成电场，在此电场作用下，离子被加速发射出放电沟道形成离子束，离子束对基片进行轰击或蚀刻。它可作为基片表面的清洁离子清洗源，也可在柔性基片上直接镀类金刚石和光学膜、氧化物、氮化物等作为磁控溅射过程中的离子辅助沉积。阳极膜离子源产生的低能量、大束流的离子束可以有效去除基片表面的有机污染物和氧化层，增加薄膜的附着力，同时避免对基片轰击时造成损伤。该气体离子源装置可以在大范围内稳定放电,能够控制气体离子刻蚀清洗过程对工件表面的损伤程度,同时实现工件表面的彻底清洁和活化。具有两种放电模式：第一种为聚焦放电模式(刻蚀清洗模式, 高电压低电流低占空比)，其特点为放电时出现明细的离子束，此时放电电压高，放电电流小；第二种为散焦放电模式(低电压高电流高占空比)，其特点为放电时等离子体发散至很大空间，未出现明细的离子束。

众所周知，立方氮化硼（cBN）涂层在硬度和热导率方面仅次于金刚石，但却比金刚石涂层具有更高的热稳定性和化学稳定性，在大气中温度达到1200℃才发生氧化，在真空中，cBN加热到1550℃后才发生向六方氮化硼（hBN）的相变，而且对铁族金属具有极稳定的化学性能，可广泛应用于钢铁制品的切削加工，可广泛应用于钢铁制品的切削加工，完全能胜任轴承钢、高速钢、工具钢、冷硬铸铁、高温合金、热喷涂材料和硬质合金等难加工材料的切削加工。是目前实现以切代磨的最佳刀具之一。cBN作为切削工具材料比金刚石更加优越，是机械加工中的刀具和刃具最理想的耐磨涂层，它不仅可以提高产品的加工精度，改善产品质量，而且还能极大地提高了刀具的使用寿命。另外其耐热性也极为优良，在很高切削温度下也能切削耐热钢、钛合金及淬火钢等，还能切削对刀具磨损非常严重的Si-Al合金，同时cBN涂层也是各种热挤压和成形模具的理想表面防护涂层、各种机械耐磨部件的耐磨涂层，因此他被认为是21世纪最具发展前景的超硬材料之一。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硬质合金刀具基体，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。由于cBN涂层的制备特点及工艺的局限性，目前在cBN 涂层的物理气相沉积技术方面主要集中在射频溅射、射频磁控溅射，其中以射频磁控溅射的工艺技术发展最为深入。但射频磁控溅射法制备cBN涂层存在着气体离化率不足的问题，阳极膜线性离子源能够大幅度提高气体的离化率。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。

因此，本发明提出在多种刀具衬底上沉积立方氮化硼涂层刀具的制备，即采用阳极膜线性离子源辅助射频磁控溅射技术在多种刀具表面沉积cBN涂层。其中，阳极膜线性离子源结构简单，成本低，经济性好。同时由于它能大幅提高沉积气氛中的氮气的离化率，从而有效的提高了立方氮化硼涂层的沉积速率和与衬底的结合力。它还可以有效去除基片表面的有机污染物和氧化层，增加立方氮化硼薄膜的附着力，降低涂层整体的残余应力，提高涂层韧性，从而可以增大超硬涂层的沉积厚度，使其更好地胜任切削加工，涂层与基底的结合性能得到显著改善。

发明内容

本发明的目的是针对现有的单一的射频磁控溅射沉积立方氮化硼时由于氮气的离化率不高而导致高残余应力和薄膜附着力弱的问题，发明一种残余应用小、附着力强的阳极膜线性离子源辅助立方氮化硼涂层刀具的制备方法。

本发明的技术方案之一是：

一种阳极膜线性离子源辅助立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，对作为衬底材料的刀具基材进行打磨和清洁类预处理，得到预处理衬底；使用化学气相沉积法在上述经过预处理的衬底上沉积纳米过渡层，得到表面有纳米过渡层的纳米过渡层衬底；

其次，将沉积好纳米过渡层的衬底置于加装有阳极膜线性离子源的射频磁控溅射装置中，关闭挡板将射频磁控溅射装置的靶源罩住，打开阳极膜线性离子源上的挡板，采用阳极膜线性离子源刻蚀清洗模式（高电压500-800V、低电流0.1-0.5A、低占空比30-40%）对沉积有纳米过渡层的衬底进行预溅射处理，通入Ar气体流量20-40sccm，调节气压到0.5Pa，阳极膜线性离子源功率250-350W，对纳米过渡层衬底进行预溅射处理20-30min，目的是通过高能离子轰击去除纳米过渡层衬底表面的附着物，同时激活纳米过渡层衬底表面；阳极膜线性离子源产生的低能量、大束流的离子束能有效去除纳米过渡层衬底表面的有机污染物和氧化层，增加薄膜的附着力，同时避免立方氮化硼沉积时对纳米过渡层衬底轰击时造成损伤；

最后，开启罩装在靶源上的挡板，打开射频磁控溅射装置，在阳极膜线性离子源的辅助下开始进行立方氮化硼涂层沉积，通过阳极膜线性离子源的辅助作用强化氮气的离化率，提高立方氮化硼的沉积速率和与衬底的结合力。

本发明的技术方案之二是：

一种阳极膜线性离子源辅助立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，对作为衬底材料的刀具基材进行打磨和清洁类预处理，得到预处理衬底；

其次，将预处理衬底置于加装有阳极膜线性离子源的射频磁控溅射装置中，关闭挡板将射频磁控溅射装置的靶源罩住，打开阳极膜线性离子源上的挡板，采用阳极膜线性离子源刻蚀清洗模式对预处理衬底进行预溅射处理，通入Ar气体流量20-40sccm，调节气压到0.5Pa，阳极膜线性离子源功率250-350W，对预处理衬底进行预溅射处理20-30min，目的是通过高能离子轰击去除预处理衬底表面的附着物，同时激活预处理衬底表面；阳极膜线性离子源产生的低能量、大束流的离子束能有效去除预处理衬底表面的有机污染物和氧化层，增加薄膜的附着力，同时避免立方氮化硼沉积时对预处理衬底轰击时造成损伤；

最后，开启罩装在靶源上的挡板，打开射频磁控溅射装置，在阳极膜线性离子源的辅助下开始进行立方氮化硼涂层沉积，通过阳极膜线性离子源的辅助作用强化氮气的离化率，提高立方氮化硼的沉积速率和与衬底的结合力。

所述的打磨和清洁类预处理是指：使用W7、W14、W20型号金刚石砂纸从粗到细依次打磨共计25～35min。之后将刀片放入氢氟酸溶液中超声清洗10～15min，再将衬底置于由粒度为0.5～1μm的金刚石微晶粉末配置而成的丙酮悬浊液中超声清洗15～20min，每步清洗结束都要用去离子水超声清洗10min，取出后立即用去离子水滤过表面，放入无水乙醇溶液中超声清洗5-10min，最后用N₂烘干备用，得到预处理过的衬底。

所述的射频磁控溅射装置的氮气和氩气混合进气管直接安装在阳极膜线性离子源上以便实现氮气的最大电离化。

所述的立方氮化硼涂层沉积时N₂和Ar的流量分别为5-10sccm和25-40sccm，衬底置于靶材上方90mm±10 mm，衬底负偏压100-220V，衬底温度为600-900˚C，本底真空度5×10^-4Pa，射频功率200-300W，阳极膜线性离子源采用散焦放电模式（低电压400-600V、高电流0.2-0.6、高占空比40-50%），阳极膜线性离子源的功率100-300W，沉积气压0.5Pa，沉积时间为4-5h。

所述的阳极膜线性离子源刻蚀清洗模式通过调节阳极膜线性离子源的电流和占空比来实现，共有刻蚀清洗和散焦放电这两种模式，其中高电压、低电流、低占空比代表着刻蚀清洗模式，。

所述的刀具基材包括硬质合金刀片、高速钢刀片，金属陶瓷刀片和陶瓷刀片。。

所述的纳米过渡层为纳米金刚石过渡层或纳米氮化铝作过渡层。

本发明的有益效果：

本发明采用阳极膜线性离子源辅助沉积cBN涂层，利用阳极膜线性离子源能大幅度提高气体的离化率；设挡板保护阳极层离子源,延长阳极层离子源的使用寿命。其工艺具有效率高、涂层致密和粘结强度高的优点。阳极膜线性离子源可以有效去除基片表面的有机污染物和氧化层，增加薄膜的附着力，同时避免对基片轰击时造成损伤。阳极膜线性离子源辅助制备的立方氮化硼涂层具有较好的膜基结合力，使用多种刀片为基底可以制备出较高质量的立方氮化硼涂层；本发明工艺简单，条件比较容易控制，操作较容易，阳极膜线性离子源的使用能够提高整个涂层的力学性能，降低涂层整体的残余应力，提高涂层韧性，从而可以增大超硬涂层的沉积厚度，使其更好地胜任切削加工，涂层与基底的结合性能得到显著改善。

本发明通过将阳极膜线性离子源与射频磁控溅射装置相结合，从根本上改变了氮气的电离化率，同时对衬底实现了彻底清洁，是现有清洁手段中效果最佳的方式，为沉积层的附着力提高奠定了基础。

本发明工艺简单、操作较容易，涂层与基底结合性能得到明显提升，刀具韧性得到极大提高。

附图说明

图1是本发明所涉及的阳极膜线性离子源辅助射频磁控溅射系统原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示。

一种阳极膜线性离子源辅助立方氮化硼涂层刀具的制备方法，步骤如下：

（1）衬底的预处理：使用YG6硬质合金刀片作为衬底材料，先将YG6硬质合金刀片进行表面打磨，打磨使用W7、W14、W20型号金刚石砂纸从粗到细依次打磨共计30min。之后将刀片放入氢氟酸溶液中超声清洗10min，再将衬底置于由粒度为0.5～1μm的金刚石微晶粉末配置而成的丙酮悬浊液中超声清洗20min，每步清洗结束都要用去离子水超声清洗10min，取出后立即用去离子水滤过表面，放入无水乙醇溶液中超声清洗10min，最后用N₂烘干备用，得到处理过的衬底。使用化学气相沉积法在上述经过预处理的衬底上沉积纳米金刚石，得到表面有纳米金刚石过渡层的衬底

（2）衬底预溅射处理：将沉积有纳米金刚石过渡层的衬底置于加装有阳极膜线性离子源的射频磁控溅射装置（如图1所示）中，用挡板将射频磁控溅射装置的靶源罩住，打开阳极膜线性离子源上的挡板，采用阳极膜线性离子源清洗模式对基底进行预溅射处理。阳极膜线性离子源最好安装在射频磁控溅射装置的氮气和/或氩气进气管上以便实现氮气的最大电离化。在涂层沉积之前，可先将衬底加热到800℃，然后通入Ar气体流量40sccm，调节沉积气压到0.5Pa，阳极膜线性离子源功率300W，对衬底进行预溅射处理20min，此步的目的是对通过高能离子轰击去除基底表面的附着物，同时激活基底表面。其中阳极膜线性离子源产生的低能量、大束流的离子束可以有效去除基片表面的有机污染物和氧化层，增加薄膜的附着力，同时避免对基片轰击时造成损伤。

（3）沉积立方氮化硼涂层：使用阳极膜线性离子源辅助射频磁控溅射技术在上述经过预处理的衬底上沉积立方氮化硼薄膜，得到表面有立方氮化硼涂层的衬底；阳极膜线性离子源提高氮气的离化率进而提高沉积速率和附着力。具体的工艺参数为：N₂和Ar的流量分别为5sccm、25sccm，衬底置于靶材上方约90mm，衬底负偏压200V，衬底温度为800˚C，本底真空度5×10^-4Pa，射频功率300W，阳极膜线性离子源采用散焦放电模式，功率200W，沉积气压0.5Pa，沉积时间为4h，即可得到所需的立方氮化硼涂层。

实施例2。

一种阳极膜线性离子源辅助立方氮化硼涂层刀具的制备方法，步骤如下：

（1）衬底的预处理：使用高速钢刀片作为衬底材料，先将高速钢刀片进行表面打磨，打磨使用W7、W14、W20型号金刚石砂纸从粗到细依次打磨共计25min。之后将刀片放入氢氟酸溶液中超声清洗15min，再将衬底置于由粒度为0.5～1μm的金刚石微晶粉末配置而成的丙酮悬浊液中超声清洗15min，每步清洗结束都要用去离子水超声清洗10min，取出后立即用去离子水滤过表面，放入无水乙醇溶液中超声清洗10min，最后用N₂烘干备用，得到处理过的衬底。使用化学气相沉积法在上述经过预处理的衬底上沉积纳米氮化铝，得到表面有纳米氮化铝过渡层的衬底。

（2）衬底预溅射处理：采用阳极膜线性离子源清洗模式（高电压、低电流、低占空比）对基底进行预溅射处理。在涂层沉积之前，对基底加热到900 ˚C，然后通入Ar气体流量40sccm，调节沉积气压到0.5Pa，阳极膜线性离子源功率300W，对基底进行预溅射处理30min，此步的目的是对通过高能离子轰击去除基底表面的附着物，同时激活基底表面。其中阳极膜线性离子源产生的低能量、大束流的离子束可以有效去除基片表面的有机污染物和氧化层，增加薄膜的附着力，同时避免对基片轰击时造成损伤。

（3）沉积立方氮化硼涂层：使用阳极膜线性离子源辅助射频磁控溅射技术在上述经过预处理的衬底上沉积立方氮化硼薄膜，得到表面有立方氮化硼涂层的衬底；具体的工艺参数为：N₂和Ar的流量分别为5sccm、25sccm，衬底置于靶材上方约90mm，衬底负偏压200V，衬底温度为900˚C，本底真空度5×10^-4Pa，射频功率300W，阳极膜线性离子源采用散焦放电模式，功率100W，沉积气压0.5Pa，沉积时间为5h，即可得到所需的立方氮化硼涂层。

实施例三。

本实施例与实施例一、二的区别是对刀具基材进行打磨清洗后不进行纳米过渡层的沉积而是直接置于磁控溅射装置中打开阳极膜线性离子源采用清洗模式（高电压、低电流、低占空比）对刀具基材进行预溅射处理，预溅射处理后再进行与实施例一、二相同的立放氮化硼的沉积。本实施例省去了纳米过渡层的沉积工序，有利于提高部分与立方氮化硼结合力较好的刀具基材的沉积周期，降低生产成本。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种阳极膜线性离子源辅助立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，对作为衬底材料的刀具基材进行打磨和清洁类预处理，得到预处理衬底；使用化学气相沉积法在上述经过预处理的衬底上沉积纳米过渡层，得到表面有纳米过渡层的纳米过渡层衬底；

其次，将沉积好纳米过渡层的衬底置于加装有阳极膜线性离子源的射频磁控溅射装置中，关闭挡板将射频磁控溅射装置的靶源罩住，打开阳极膜线性离子源上的挡板，采用阳极膜线性离子源刻蚀清洗模式对沉积有纳米过渡层的衬底进行预溅射处理，通入Ar气体流量20-40sccm，调节气压到0.5Pa，阳极膜线性离子源功率250-350W，对纳米过渡层衬底进行预溅射处理20-30min，目的是通过高能离子轰击去除纳米过渡层衬底表面的附着物，同时激活纳米过渡层衬底表面；阳极膜线性离子源产生的低能量、大束流的离子束能有效去除纳米过渡层衬底表面的有机污染物和氧化层，增加薄膜的附着力，同时避免立方氮化硼沉积时对纳米过渡层衬底轰击时造成损伤；

最后，开启罩装在靶源上的挡板，打开射频磁控溅射装置，在阳极膜线性离子源的辅助下开始进行立方氮化硼涂层沉积，通过阳极膜线性离子源的辅助作用强化氮气的离化率，提高立方氮化硼的沉积速率和与衬底的结合力。

2.一种阳极膜线性离子源辅助立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，对作为衬底材料的刀具基材进行打磨和清洁类预处理，得到预处理衬底；

其次，将预处理衬底置于加装有阳极膜线性离子源的射频磁控溅射装置中，关闭挡板将射频磁控溅射装置的靶源罩住，打开阳极膜线性离子源上的挡板，采用阳极膜线性离子源刻蚀清洗模式对预处理衬底进行预溅射处理，通入Ar气体流量20-40sccm，调节气压到0.5Pa，阳极膜线性离子源功率250-350W，对预处理衬底进行预溅射处理20-30min，目的是通过高能离子轰击去除预处理衬底表面的附着物，同时激活预处理衬底表面；阳极膜线性离子源产生的低能量、大束流的离子束能有效去除预处理衬底表面的有机污染物和氧化层，增加薄膜的附着力，同时避免立方氮化硼沉积时对预处理衬底轰击时造成损伤；

最后，开启罩装在靶源上的挡板，打开射频磁控溅射装置，在阳极膜线性离子源的辅助下开始进行立方氮化硼涂层沉积，通过阳极膜线性离子源的辅助作用强化氮气的离化率，提高立方氮化硼的沉积速率和与衬底的结合力。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的打磨和清洁类预处理是指：使用W7、W14、W20型号金刚石砂纸从粗到细依次打磨共计25～35min；

之后将刀片放入氢氟酸溶液中超声清洗10～15min，再将衬底置于由粒度为0.5～1μm的金刚石微晶粉末配置而成的丙酮悬浊液中超声清洗15～20min，每步清洗结束都要用去离子水超声清洗10min，取出后立即用去离子水滤过表面，放入无水乙醇溶液中超声清洗5-10min，最后用N₂烘干备用，得到预处理过的衬底。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的射频磁控溅射装置的氮气和氩气混合进气管直接安装在阳极膜线性离子源上以便实现氮气的最大电离化。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的立方氮化硼涂层沉积时N₂和Ar的流量分别为5-10sccm和25-40sccm，衬底置于靶材上方90mm±10 mm，衬底负偏压100-220V，衬底温度为600-900˚C，本底真空度5×10^-4Pa，射频功率200-300W，阳极膜线性离子源采用散焦放电模式，功率100-300W，沉积气压0.5Pa，沉积时间为4-5h。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的阳极膜线性离子源刻蚀清洗模式通过调节阳极膜线性离子源的电流和占空比来实现，共有刻蚀清洗和散焦放电这两种模式，其中高电压、低电流、低占空比代表着刻蚀清洗模式。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的刀具基材包括硬质合金刀片、高速钢刀片，金属陶瓷刀片和陶瓷刀片。

8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的纳米过渡层为纳米金刚石过渡层或纳米氮化铝作过渡层。