立方氮化硼涂層刀具的制備方法
【專利摘要】一種立方氮化硼涂層刀具的制備方法，其特征是它包括：Si3N4陶瓷襯底的預處理；將襯底放入熱絲化學氣相沉積設備中沉積摻硼金剛石；對沉積好的薄膜樣品放入直流等離子體噴射化學氣相沉積設備中在30～40V正偏壓下進行刻蝕清潔表面預處理30～45s，接著沉積立方氮化硼涂層，具體參數(shù):BF3,N2,Ar和H2的流量分別為20sccm、2slm、3slm、4sccm，總的反應氣壓為4kPa，襯底負偏壓為65V，襯底溫度為860?C，沉積時間為50min。本發(fā)明工藝簡單、操作較容易，涂層與基底結合性能得到明顯提升。
【專利說明】立方氮化硼涂層刀具的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超硬材料薄膜制備技術，尤其是一種立方氮化硼涂層刀具的制備方法，具體地說是一種使用直流等離子體噴射化學氣相沉積法在Si3N4襯底上以摻硼金剛石為過渡層沉積立方氮化硼刀具涂層的制備方法。
【背景技術】 [0002]眾所周知，立方氮化硼(cBN)在硬度和熱導率方面僅次于金剛石，且熱穩(wěn)定性極好，在大氣中1300 C以下不發(fā)生氧化反應，在真空中1550 C才開始向六方氮化硼(hBN)轉(zhuǎn)變，在1150 C以下不和鐵系金屬反應，加上cBN有優(yōu)良的耐磨性、極小的摩擦系數(shù)，使得cBN成為加工鋼鐵材料的理想刀具，特別適用于加工各種淬硬鋼、冷硬鋼等難加工材料。更為誘人的是，cBN的禁帶寬度約為6.4eV,并能進行簡單的p型和n型摻雜，使它成為大功率高溫電子器件的首選材料。另外，cBN在大范圍波長區(qū)間的光線有很好的透過性，使它在光學窗口鍍膜領域也具有潛在的應用前景。目前cBN刀具以高溫高壓工藝制備的聚晶立方氮化硼(PcBN)為主，用于制作形狀比較簡單的刀片，目前的燒結工藝還無法經(jīng)濟可靠的進行復雜形狀PcBN刀具的制備，并且PcBN的高硬度導致其刃磨非常困難。相對于PcBN，cBN涂層可以適用于任何復雜形狀的Si3N4陶瓷刀具基體，實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)后預期成本比PcBN低的多，具有顯著的經(jīng)濟性，能夠成為具有較高性價比的高性能刀具。因此，cBN作為刀具涂層具有廣闊的應用前景，尤其適合金剛石涂層刀具不能勝任的黑色金屬的加工。
[0003]研究發(fā)現(xiàn)，Si3N4陶瓷是制備金剛石過渡層的新型襯底材料，其原因除了 Si3N4陶瓷是強度最高、韌性最好的陶瓷材料之一外，更在于其熱膨脹系數(shù)和金剛石的熱膨脹系數(shù)的差距比硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)和金剛石的熱膨脹系數(shù)的差距相比來說更??；Si3N4陶瓷有較強的化學兼容性，有利于金剛石在襯底上形核；Si3N4陶瓷與金剛石有低熱失配率可以獲得低內(nèi)應力的涂層，從而獲得較高質(zhì)量的金剛石涂層。此外，研究還發(fā)現(xiàn)金剛石是最適宜cBN生長的襯底材料，其原因是金剛石與cBN有相近的晶格常數(shù)，更為接近的表面自由能；金剛石大量的表面微觀缺陷為cBN提供了合適的成核區(qū)；cBN和金剛石最佳的兼容性使得金剛石顯然是cBN薄膜生長的優(yōu)良襯底。但是Si3N4陶瓷是一種不導電材料，沒有摻雜的金剛石也不導電，通常我們在沉積過程會對襯底施加一定的偏壓來誘導離子轟擊襯底，以沉積出更高質(zhì)量的金剛石。然而，因為上述兩種材料均不導電，所以無法在Si3N4襯底上以金剛石為過渡層沉積立方氮化硼時有效的對襯底施加直流偏壓，這樣就沉積不出cBN涂層。因此，本發(fā)明提出在Si3N4陶瓷襯底上沉積摻硼金剛石作為過渡層以實現(xiàn)cBN涂層刀具的制備，即在Si3N4陶瓷刀具表面依次沉積摻硼金剛石過渡層和cBN涂層，其中，cBN為刀具提供了良好的化學惰性，摻硼金剛石過渡層提供與Si3N4陶瓷基底較強的結合能力，也提供cBN生長的最佳襯底材料，其較好的導電性可以使得沉積系統(tǒng)能有效的對襯底施加直流偏壓，同時，其優(yōu)異的力學性能為cBN涂層提供堅實的支撐。這些大大提高了 cBN涂層與基底的結合強度，提高了 cBN涂層的應用范圍。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對硬質(zhì)合金基底與金剛石過渡層結合力差，以及無法用一般直流偏壓系統(tǒng)對不導電襯底及金剛石過渡層施加偏壓的問題，發(fā)明一種使用Si3N4陶瓷作為襯底，摻硼金剛石作為過渡層的立方氮化硼涂層刀具的制備方法。
[0005]本發(fā)明的技術方案是:
一種立方氮化硼涂層刀具的制備方法，其特征是它包括:
(一)襯底的預處理:使用Si3N4陶瓷刀片作為襯底材料，先將Si3N4陶瓷刀片進行表面打磨，打磨使用W20、W14、W7型號金剛石砂紙從粗到細依次打磨共計30~45min ;之后將打磨后的Si3N4陶瓷刀片放入丙酮溶液中超聲清洗10~15min，再將經(jīng)所述超聲清洗后的Si3N4陶瓷刀片置于由粒度為0.5~IMffl的金剛石微晶粉末配置而成的丙酮懸濁液中超聲15~20min，取出后立即用去離子水濾過表面，放入酒精溶液中再超聲清洗5~lOmin，電吹風吹干待用，得到襯底；
(二)鉭絲預處理:熱絲化學氣相沉積設備中的熱絲為鉭絲，將鉭絲拉直并固定在襯底上方，然后在總氣體流量400sCCm，C/H為2%~4%(體積百分比)的碳源濃度下碳化I小時；碳化后升起沉積臺，控制襯底與鉭絲的距離為4~8mm ；
(三)襯底表面噴金處理及沉積摻硼金剛石過渡層:為保證襯底偏壓電流的順利導出，應先對經(jīng)過預處理的作為襯底的陶瓷刀片背面進行噴金處理；再使用熱絲化學氣相沉積法在經(jīng)過噴金處理的襯底上沉積摻硼金剛石，得到表面有摻硼金剛石過渡層的襯底；
(四)最后，沉積立方氮化硼涂層:將沉積好摻硼金剛石過渡層的襯底放入直流等離子體噴射化學氣相沉積設備中，先通入BF3, N2, Ar這三種氣體，在正偏壓30~40V條件下刻蝕30~45s，對襯底進行清潔處理；刻蝕完后通入H2,然后在經(jīng)過清潔處理的表面沉積有摻硼金剛石過渡層的襯底上再沉積立方氮化硼涂層，得到結合強度滿足要求的立方氮化硼涂層刀具。`
[0006]所述的丙酮懸濁液中金剛石微晶粉末的重量百分比為0.1~1%。
[0007]所述的熱絲法化學氣相沉積摻硼金剛石的工藝參數(shù)為:襯底置于鉭絲下方約4~8mm,熱絲溫度2400~2700 C，襯底溫度800°C，反應氣壓2.5kPa，碳源濃度1%，摻硼濃度2000~4000ppm,總流量400sccm,沉積時間5h。
[0008]所述的立方氮化硼涂層沉積工藝參數(shù)為:BF3, N2,么1'和112的流量分別為20%011、2slm、3slm、4sccm，總的反應氣壓為4kPa，襯底負偏壓為65V，襯底溫度為860 C，沉積時間為50min。
[0009]本發(fā)明的有益效果:
實驗證明(圖1)使用Si3N4陶瓷為基底沉積摻硼金剛石過渡層可以得到比較優(yōu)質(zhì)的過渡層；實驗證明(圖2)使用Si3N4陶瓷為基底摻硼金剛石過渡層可以制備出較高質(zhì)量的cBN涂層；本發(fā)明工藝簡單，條件比較容易控制，操作較容易，涂層與基底的結合性能得到顯著改善。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明在Si3N4陶瓷基底上沉積摻硼金剛石涂層的拉曼光譜實驗結果圖，基底表面確實沉積了摻硼金剛石。[0011]圖2是本發(fā)明在Si3N4陶瓷基底上沉積摻硼金剛石過渡層后再沉積CBN涂層的FTIR反射譜圖，可見涂層中確實含有cBN，且cBN涂層質(zhì)量較好。
【具體實施方式】
[0012]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0013]如圖1-2所示。
[0014]一種立方氮化硼涂層刀具的制備方法，它包括以下步驟: (一)襯底的預處理:使用Si3N4陶瓷刀片作為襯底材料，先將Si3N4陶瓷刀片進行表面打磨，打磨使用W20、W14、W7型號金剛石砂紙從粗到細依次打磨共計30~45min ;之后將打磨后的Si3N4陶瓷刀片放入丙酮溶液中超聲清洗10~15min，再將經(jīng)所述超聲清洗后的Si3N4陶瓷刀片置于由粒度為0.5~IMffl的金剛石微晶粉末配置而成的丙酮懸濁液中超聲15~20min，所述的丙酮懸濁液中金剛石微晶粉末的重量百分比為0.1~1%，取出后立即用去離子水濾過表面,放入酒精溶液中再超聲清洗5~lOmin，電吹風吹干待用，得到襯底；
(二)鉭絲預處理:熱絲化學氣相沉積設備中的熱絲為鉭絲，將鉭絲拉直并固定在襯底上方，然后在總氣體流量400sCCm，C/H為2%~4%(體積百分比)的碳源濃度下碳化I小時；碳化后升起沉積臺，控制襯底與鉭絲的距離為4~8mm ；
(三)襯底表面噴金處理及沉積摻硼金剛石過渡層:為保證襯底偏壓電流的順利導出，應先對經(jīng)過預處理的作為襯底的陶瓷刀片背面進行噴金處理；再使用熱絲化學氣相沉積法在經(jīng)過噴金處理的襯底上沉積摻硼金剛石，得到表面有摻硼金剛石過渡層的襯底；在Si3N4陶瓷襯底上沉積摻硼金剛石涂層的拉曼光譜實驗結果圖如圖1所示，所述的熱絲法化學氣相沉積摻硼金剛石的工藝參數(shù)為:襯底置于鉭絲下方約4~8mm，熱絲溫度2400~2700°C,襯底溫度800°C，反應氣壓2.5kPa，碳源濃度1%，摻硼濃度2000~4000ppm，總流量400sccm,沉積時間5h。
[0015](四)最后，沉積立方氮化硼涂層:將沉積好摻硼金剛石過渡層的襯底放入直流等離子體噴射化學氣相沉積設備中，先通入BF3, N2, Ar這三種氣體，在正偏壓30~40V條件下刻蝕30~45s，對襯底進行清潔處理；刻蝕完后通入H2,然后在經(jīng)過清潔處理的表面沉積有摻硼金剛石過渡層的襯底上再沉積立方氮化硼涂層，得到結合強度滿足要求的立方氮化硼涂層刀具。所述的立方氮化硼涂層沉積工藝參數(shù)為:BF3，N2, Ar或H2的流量分別為20sccm、2slm、3slm、4sccm,總的反應氣壓為4kPa,襯底負偏壓為65V,襯底溫度為860°C,沉積時間為50min。cBN涂層的FTIR反射譜圖如圖2所示。
[0016]實例I。
[0017]( I)襯底的預處理:使用Si3N4陶瓷刀片作為襯底材料，先將Si3N4陶瓷刀片進行表面打磨，拋光使用W20、W14、W7型號金剛石砂紙從粗到細依次打磨共計40min。之后將刀片放入丙酮溶液中超聲清洗12min，再將襯底置于由金剛石微晶粉末配置而成的丙酮懸濁液中超聲15min，取出后立即用去離子水濾過表面，放入酒精溶液中超聲清洗8min，電吹風吹干待用，得到襯底。
[0018](2)鉭絲預處理:熱絲化學氣相沉積設備中的熱絲為鉭絲，將鉭絲拉直并固定在襯底上方，然后在總氣體流量400SCCm，C/H為4%的碳源濃度下碳化I小時；碳化后升起沉積臺，控制襯底與鉭絲的距離為8mm。[0019](3)襯底表面噴金處理及沉積摻硼金剛石過渡層:為保證襯底偏壓電流的順利導出，對陶瓷刀片背面進行噴金處理。再使用熱絲化學氣相沉積法在上述經(jīng)過預處理的襯底上沉積摻硼金剛石，得到表面有摻硼金剛石過渡層的襯底；所述的熱絲法化學氣相沉積摻硼金剛石的工藝參數(shù)為:襯底置于鉭絲下方約8mm，熱絲溫度2400~2700°C，襯底溫度8000C，反應氣壓2.5kPa，碳源濃度1%，摻硼濃度4000ppm，總流量400sccm，沉積時間5h。
[0020](4)沉積立方氮化硼涂層:將沉積好摻硼金剛石過渡層的樣品放入直流等離子體噴射化學氣相沉積設備中，先通入BF3, N2, Ar這三種氣體，在正偏壓40V條件下刻蝕40s，對襯底進行清潔處理；刻蝕完后通入H2,然后在經(jīng)過清潔處理的表面沉積有摻硼金剛石過渡層的襯底上沉積立方氮化硼涂層，得到結合強度滿足要求的立方氮化硼涂層刀具。具體的工藝參數(shù)為:BF3，N2, Ar和4的流量分別為20sccm、2slm、3slm、4sccm，總的反應氣壓為4kPa，襯底負偏壓為65V，襯底溫度為860°C，沉積時間為50min。
[0021]實例2。
[0022]( I)襯底的預處理:使用Si3N4陶瓷刀片作為襯底材料，先將Si3N4陶瓷刀片進行表面打磨，拋光使用W20、W14、W7型號金剛石砂紙從粗到細依次打磨共計45min。之后將刀片放入丙酮溶液中超聲清洗15min，再將襯底置于由粒度為0.5~Ium金剛石微晶粉末配置而成的丙酮懸濁液中超聲19min，取出后立即用去離子水濾過表面，放入酒精溶液中超聲清洗lOmin，電吹風吹干待用，得到襯底。
[0023](2)鉭絲預處理:熱絲化學氣相沉積設備中的熱絲為鉭絲，將鉭絲拉直并固定在襯底上方，然后在總氣體流量400SCCm，C/Η為3%的碳源濃度下碳化I小時；碳化后升起沉積臺，控制襯底與鉭絲的距離為7mm。
[0024](3)襯底表面噴金處理及沉積摻硼金剛石過渡層:為保證襯底偏壓電流的順利導出，對陶瓷刀片背面進行噴金處理。再使用熱絲化學氣相沉積法在上述經(jīng)過預處理的襯底上沉積摻硼金剛石，得到`表面有摻硼金剛石過渡層的襯底；所述的熱絲法化學氣相沉積摻硼金剛石的工藝參數(shù)為:襯底置于鉭絲下方約7mm，熱絲溫度2400~2700°C，襯底溫度8000C，反應氣壓2.5kPa，碳源濃度1%，摻硼濃度4000ppm，總流量400sccm，沉積時間5h。
[0025](4)表面沉積有摻硼金剛石過渡層的襯底表面預處理:在沉積立方氮化硼之前在射頻磁控濺射沉積設備中，先通入純氬氣，然后施加襯底負偏壓200V，濺射功率為50W，對有摻硼金剛石過渡層的Si3N4陶瓷襯底進行預濺射，濺射時間為30min。
[0026](5)沉積立方氮化硼涂層:使用射頻磁控濺射沉積設備在經(jīng)過預處理的表面沉積有摻硼金剛石過渡層的襯底上沉積立方氮化硼涂層，得到結合強度滿足要求的立方氮化硼涂層刀具。具體的沉積工藝參數(shù)為:工作氣體Ar和N2的體積比為9，濺射功率為250W，襯底負偏壓為150V，沉積氣壓為0.6~0.7Pa，沉積溫度為450°C，沉積時間為150min。
[0027]實例3
(I)襯底的預處理:使用Si3N4陶瓷刀片作為襯底材料，先將Si3N4陶瓷刀片進行表面打磨，拋光使用W20、W14、W7型號金剛石砂紙從粗到細依次打磨共計30min。之后將刀片放入丙酮溶液中超聲清洗lOmin，再將襯底置于由金剛石微晶粉末配置而成的丙酮懸濁液中超聲18min，取出后立即用去離子水濾過表面，放入酒精溶液中超聲清洗5min，電吹風吹干待用，得到襯底。
[0028](2)鉭絲預處理:熱絲化學氣相沉積設備中的熱絲為鉭絲，將鉭絲拉直并固定在襯底上方，然后在總氣體流量400SCCm，C/Η為3%的碳源濃度下碳化I小時；碳化后升起沉積臺，控制襯底與鉭絲的距離為6m。
[0029](3)襯底表面噴金處理及沉積摻硼金剛石過渡層:為保證襯底偏壓電流的順利導出，對陶瓷刀片背面進行噴金處理。再使用熱絲化學氣相沉積法在上述經(jīng)過預處理的襯底上沉積摻硼金剛石，得到表面有摻硼金剛石過渡層的襯底；所述的熱絲法化學氣相沉積摻硼金剛石的工藝參數(shù)為:襯底置于鉭絲下方約6mm，熱絲溫度2400°C，襯底溫度800°C，反應氣壓2.5kPa，碳源濃度1%，摻硼濃度3000ppm，總流量400sccm，沉積時間5h。
[0030](4)沉積立方氮化硼涂層:將沉積好摻硼金剛石過渡層的樣品放入直流等離子體噴射化學氣相沉積設備中，先通入BF3, N2, Ar這三種氣體，在正偏壓35V條件下刻蝕30s，對襯底進行清潔處理；刻蝕完后通入H2,然后在經(jīng)過清潔處理的表面沉積有摻硼金剛石過渡層的襯底上沉積立方氮化硼涂層，得到結合強度滿足要求的立方氮化硼涂層刀具。具體的工藝參數(shù)為:BF3，N2, Ar和4的流量分別為20sccm、2slm、3slm、4sccm，總的反應氣壓為4kPa，襯底負偏壓為65V，襯底溫度為860°C，沉積時間為50min。
[0031]實例4。
[0032]( I)襯底的預處理:使用Si3N4陶瓷刀片作為襯底材料，先將Si3N4陶瓷刀片進行表面打磨，拋光使用W20、W14、W7型號金剛石砂紙從粗到細依次打磨共計45min。之后將刀片放入丙酮溶液中超聲清洗15min，再將襯底置于由粒度為0.5~IMm金剛石微晶粉末配置而成的丙酮懸濁液中超聲20min，取出后立即用去離子水濾過表面，放入酒精溶液中超聲清洗lOmin，電吹風吹干待用，得到襯底。
[0033](2)鉭絲預處理:熱絲化學氣相沉積設備中的熱絲為鉭絲，將鉭絲拉直并固定在襯底上方，然后在總氣體流量400SCCm，C/Η為2%的碳源濃度下碳化I小時；碳化后升起沉積臺，控制襯底與鉭絲的距離為5mm。
[0034](3)襯底表面噴金處理及沉積摻硼金剛石過渡層:為保證襯底偏壓電流的順利導出，對陶瓷刀片背面進行噴金處理。再使用熱絲化學氣相沉積法在上述經(jīng)過預處理的襯底上沉積摻硼金剛石，得到表面有摻硼金剛石過渡層的襯底；所述的熱絲法化學氣相沉積摻硼金剛石的工藝參數(shù)為:襯底置于鉭絲下方約4mm，熱絲溫度2700°C，襯底溫度800°C，反應氣壓2.5kPa，碳源濃度1%，摻硼濃度2000ppm，總流量400sccm，沉積時間5h。
[0035](4)表面沉積有摻硼金剛石過渡層的襯底表面預處理:在沉積立方氮化硼之前在射頻磁控濺射沉積設備中，先通入純氬氣，然后施加襯底偏壓200V，濺射功率為50W，對有摻硼金剛石過渡層的Si3N4陶瓷襯底進行預濺射，濺射時間為30min。
[0036](5)沉積立方氮化硼涂層:使用射頻磁控濺射沉積設備在經(jīng)過預處理的表面沉積有摻硼金剛石過渡層的襯底上沉積立方氮化硼涂層，得到結合強度滿足要求的立方氮化硼涂層刀具。具體的沉積工藝參數(shù)為:工作氣體Ar和N2的體積比為9，濺射功率為250W，襯底負偏壓為150V，沉積氣壓為0.6~0.7Pa，沉積溫度為450°C，沉積時間為150min。
[0037]本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術相同或可采用現(xiàn)有技術加以實現(xiàn)。
【權利要求】
1.一種立方氮化硼涂層刀具的制備方法，其特征是它包括: (一)襯底的預處理:使用Si3N4陶瓷刀片作為襯底材料，先將Si3N4陶瓷刀片進行表面打磨，打磨使用W20、W14、W7型號金剛石砂紙從粗到細依次打磨共計30~45min ;之后將打磨后的Si3N4陶瓷刀片放入丙酮溶液中超聲清洗10~15min，再將經(jīng)所述超聲清洗后的Si3N4陶瓷刀片置于由粒度為0.5~IMffl的金剛石微晶粉末配置而成的丙酮懸濁液中超聲15~20min，取出后立即用去離子水濾過表面，放入酒精溶液中再超聲清洗5~lOmin，電吹風吹干待用，得到襯底； (二)鉭絲預處理:熱絲化學氣相沉積設備中的熱絲為鉭絲，將鉭絲拉直并固定在襯底上方，然后在總氣體流量400SCCm，C/H為2%~4%的碳源濃度下碳化I小時；碳化后升起沉積臺，控制襯底與鉭絲的距離為4~8mm ; (三)襯底表面噴金處理及沉積摻硼金剛石過渡層:為保證襯底偏壓電流的順利導出，應先對經(jīng)過預處理的作為襯底的陶瓷刀片背面進行噴金處理；再使用熱絲化學氣相沉積法在經(jīng)過噴金處理的襯底上沉積摻硼金剛石，得到表面有摻硼金剛石過渡層的襯底； (四)最后，沉積立方氮化硼涂層:將沉積好摻硼金剛石過渡層的襯底放入直流等離子體噴射化學氣相沉積設備中，先通入BF3, N2, Ar這三種氣體，在正偏壓30~40V條件下刻蝕30~45s，對襯底進行清潔處理；刻蝕完后通入H2,然后在經(jīng)過清潔處理的表面沉積有摻硼金剛石過渡層的襯底上再沉積立方氮化硼涂層，得到結合強度滿足要求的立方氮化硼涂層刀具。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述的丙酮懸濁液中金剛石微晶粉末的重量百分比為0.1~1%。
3.根據(jù)權利要求1所述`的方法，其特征是所述的熱絲法化學氣相沉積摻硼金剛石的工藝參數(shù)為:襯底置于鉭絲下方約4~8mm，熱絲溫度2400~2700 C，襯底溫度800°C，反應氣壓2.5kPa,碳源濃度1%，摻硼濃度2000~4000ppm,總流量400sccm,沉積時間5h。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征是所述的立方氮化硼涂層沉積工藝參數(shù)為:BF3，N2, Ai^PH2的流量分別為20sccm、2slm、3slm、4sccm,總的反應氣壓為4kPa,襯底負偏壓為65V，襯底溫度為860 C，沉積時間為50min。
【文檔編號】C23C16/34GK103628036SQ201310672421
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權日:2013年12月12日
【發(fā)明者】徐鋒, 劉召志, 唐曉龍, 黃宇峰, 左敦穩(wěn) 申請人:南京航空航天大學