專利名稱：一種具有立方氮化硼硬質(zhì)涂層的切削工具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種切削工具，具體的說是ー種表面制備有立方氮化硼硬質(zhì)涂層的切削工具。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代エ業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)切削工具性能的要求也越來越高。特別是隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，許多新研發(fā)的材料，例如燒結(jié)的超細(xì)粉末金屬、金屬基復(fù)合材料和高溫合金等等，具有很多超常的性能組合，例如強(qiáng)度、剛度硬度和耐磨性等等，這使得傳統(tǒng)的切削工具對(duì)于這些材料的加工越來越カ不從心，迫切需要更硬更強(qiáng)的切削工具。而具有超高硬度的金剛石、立方氮化硼(c-BN)等材料無疑是不錯(cuò)的選擇，其中金剛石是自然界存在的， 也可以合成，而立方氮化硼則只能通過人工合成。雖然金剛石具有毫無爭(zhēng)議的最強(qiáng)硬度， 但其存在明顯的局限性，ー是成本昂貴，ニ是高溫使用性能不佳，即具有較大的高溫化學(xué)活性，容易被氧化為ニ氧化碳和ー氧化碳，還容易與鐵、鎳等發(fā)生反應(yīng)，因此其不但不適于單獨(dú)制備為切削工具，還不適于作為鐵、鎳等材料的硬質(zhì)涂層使用。相比之下，立方氮化硼的優(yōu)勢(shì)明顯，它不但具有僅次于金剛石的硬度，還具有有益的高溫使用性能，特別是其相對(duì)于鐵基材料具有相対的高溫惰性，很適合于用作鐵基材料的硬質(zhì)涂層，從而只需要使用相對(duì)廉價(jià)的鐵基材料作為工具的主體，節(jié)約了切削工具的成本，同時(shí)通過立方氮化硼大幅提高了切削工具的硬度和使用壽命，因此，制備立方氮化硼涂層的研究在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛關(guān)注。但合成立方氮化硼不但需要高溫高壓進(jìn)而増加成本，并且往往難以獲得很好的涂層與基體結(jié)合的致密性，以及較厚的涂層厚度，很容易與基體材料發(fā)生剝離或者被磨穿，從而導(dǎo)致切削工具的失效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的即在于提供ー種表面具有立方氮化硼硬質(zhì)涂層的切削工具，硬質(zhì)涂層與工具基體結(jié)合致密不剝落，且涂層厚度滿足要求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案包括以下步驟首先，選用高速鋼作為工具基體，用丙酮在超聲波中清洗后用氬氣吹干備用。隨后，將基體放入射頻磁控濺射的真空室樣品臺(tái)上，并將燒結(jié)BN靶置于靶位，所述燒結(jié)BN靶中添加有占原子總量5-10%的!^e。隨后將真空室內(nèi)真空度抽到彡5 X IO^4Pa,同時(shí)通入流量為300-400sCCm的純 Ar，當(dāng)真空室氣壓為2-31 吋，預(yù)濺射15-20min，預(yù)濺射的功率為80-90W，基體偏壓為 600-650V，基體溫度為450-500°C，以進(jìn)一歩除去基體表面的雜質(zhì)并激活表面原子活性。隨后開始通入流量為IO-Ikccm的N2,并減少Ar的流量為35-40sCCm、真空室氣壓為0. 9-1. lPa、基體材料的負(fù)偏壓為100-150V，維持基體材料的溫度為450_500°C，移開 BN靶的擋板，以150-200W功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間至少3h，以形成滿足厚度要求的立方氮化硼涂層。隨后維持Ar的惰性氣氛，在600-650°C條件下對(duì)涂層實(shí)施保溫處理，處理時(shí)間為 1-1. 5h。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在燒結(jié)BN靶材中添加一定的!^e，從而能夠在立方氮化硼涂層中或立方氮化硼與基體之間，形成少量的鐵或氮化鐵相，從而減小立方氮化硼與高速鋼基體材料的熱膨脹系數(shù)，進(jìn)而避免了涂層與基體的爆裂剝離，提高了涂層與基體的致密性和結(jié)合力；通過合理的參數(shù)控制，制備出均勻且較厚的立方氮化硼涂層。
具體實(shí)施例方式下面，通過具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例1.首先，選用W18Cr4V高速鋼作為工具基體，用丙酮在超聲波中清洗IOmin后用氬氣吹干備用。隨后，將基體放入射頻磁控濺射的真空室樣品臺(tái)上，并將燒結(jié)BN靶置于距基體表面70mm的靶位，所述燒結(jié)BN靶中添加有占原子總量5%的狗。隨后將真空室內(nèi)真空度抽到彡5X IO-4Pa,同時(shí)通入流量為300sCCm的純Ar，當(dāng)真空室氣壓為2 吋，預(yù)濺射15min，預(yù)濺射的功率為80W，基體偏壓為600V，基體溫度為 450°C，以進(jìn)一歩除去基體表面的雜質(zhì)并激活表面原子活性。隨后開始通入流量為IOsccm的N2,并減少Ar的流量為40sCCm、真空室氣壓為 0. 9Pa、基體材料的負(fù)偏壓為100V，維持基體材料的溫度為450°C，移開BN靶的擋板，以150W 功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為池。隨后維持Ar的惰性氣氛，在600°C條件下對(duì)涂層實(shí)施保溫處理，處理時(shí)間為lh。經(jīng)檢測(cè)，涂層中的主要吸收峰為立方氮化硼而沒有發(fā)現(xiàn)明顯的六角氮化硼吸收峰，涂層硬度約為34GPa，也表明了其主要是立方氮化硼，涂層厚度約為200nm，在大氣環(huán)境下長時(shí)間放置后涂層表面僅出現(xiàn)少量剝離現(xiàn)象。實(shí)施例2.與實(shí)施例1相同，選用W18Cr4V高速鋼作為工具基體，用丙酮在超聲波中清洗 IOmin后用氬氣吹干備用。隨后，將基體放入射頻磁控濺射的真空室樣品臺(tái)上，并將燒結(jié)BN靶置于距基體表面70mm的靶位，所述燒結(jié)BN靶中添加有占原子總量7%的狗。隨后將真空室內(nèi)真空度抽到彡5X IO-4Pa,同時(shí)通入流量為350sCCm的純Ar，當(dāng)真空室氣壓為2. 5Pa吋，預(yù)濺射18min，預(yù)濺射的功率為85W，基體偏壓為620V，基體溫度為 480°C，以進(jìn)一歩除去基體表面的雜質(zhì)并激活表面原子活性。隨后開始通入流量為13SCCm的N2,并減少Ar的流量為37SCCm、真空室氣壓為lPa、 基體材料的負(fù)偏壓為130V，維持基體材料的溫度為480°C，移開BN靶的擋板，以180W功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為紐。隨后維持Ar的惰性氣氛，在620°C條件下對(duì)涂層實(shí)施保溫處理，處理時(shí)間為1.池。經(jīng)檢測(cè)，涂層中的主要吸收峰還是立方氮化硼而沒有發(fā)現(xiàn)明顯的六角氮化硼吸收峰，涂層硬度約為32GPa，涂層厚度約為450nm，在大氣環(huán)境下長時(shí)間放置后涂層表面未出現(xiàn)明顯剝離現(xiàn)象。實(shí)施例3.與前面的實(shí)施例相同，選用W18Cr4V高速鋼作為工具基體，用丙酮在超聲波中清洗IOmin后用氬氣吹干備用。隨后，將基體放入射頻磁控濺射的真空室樣品臺(tái)上，并將燒結(jié)BN靶置于距基體表面70mm的靶位，所述燒結(jié)BN靶中添加有占原子總量10%的狗。隨后將真空室內(nèi)真空度抽到彡5X IO-4Pa,同時(shí)通入流量為400sCCm的純Ar，當(dāng)真空室氣壓為3 吋，預(yù)濺射20min，預(yù)濺射的功率為90W，基體偏壓為650V，基體溫度為 500°C，以進(jìn)一歩除去基體表面的雜質(zhì)并激活表面原子活性。隨后開始通入流量為15SCCm的N2,并減少Ar的流量為35SCCm、真空室氣壓為lPa、 基體材料的負(fù)偏壓為150V，維持基體材料的溫度為500°C，移開BN靶的擋板，以200W功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間為10h。隨后維持Ar的惰性氣氛，在650°C條件下對(duì)涂層實(shí)施保溫處理，處理時(shí)間為1.證。經(jīng)檢測(cè)，涂層中的主要吸收峰還是立方氮化硼而沒有發(fā)現(xiàn)明顯的六角氮化硼吸收峰，涂層硬度約為^GPa,涂層厚度約為700nm，在大氣環(huán)境下長時(shí)間放置后涂層表面未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象。由上述結(jié)果可知，實(shí)施例2中的!^e的添加量更為合適，在提高了涂層耐剝離性能的同吋，保證了涂層的高硬度，并且其制備ェ藝具有較高的成膜效率。
權(quán)利要求
1.ー種表面具有立方氮化硼硬質(zhì)涂層的切削工具，其特征在于其由以下步驟制備得到步驟1)，選用高速鋼作為工具基體，用丙酮在超聲波中清洗后用氬氣吹干備用； 步驟2)，將基體放入射頻磁控濺射的真空室樣品臺(tái)上，并將燒結(jié)BN靶置于靶位，所述燒結(jié)BN靶中添加有占原子總量5-10%的!^e ；步驟3)，將真空室內(nèi)真空度抽到彡5X 10-4 ，同時(shí)通入流量為300-400SCCm的純Ar，當(dāng)真空室氣壓為2-31 時(shí)，預(yù)濺射15-20min，預(yù)濺射的功率為80-90W，基體偏壓為600-650V， 基體溫度為450-500°C，以進(jìn)一歩除去基體表面的雜質(zhì)并激活表面原子活性；步驟4)，開始通入流量為10-15sCCm的N2,并減少Ar的流量為35-40sCCm、真空室氣壓為0. 9-1. lPa、基體材料的負(fù)偏壓為100-150V，維持基體材料的溫度為450_500°C，移開BN 靶的擋板，以150-200W功率進(jìn)行濺射，濺射時(shí)間至少3h，以形成滿足厚度要求的立方氮化硼涂層；步驟幻，維持Ar的惰性氣氛，在600-650°C條件下對(duì)涂層實(shí)施保溫處理，處理時(shí)間為 1-1. 5h。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具，其中，高速鋼為W18Cr4V鋼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具，其中，燒結(jié)靶中添加有占原子總量7%的狗。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具，其中所述立方氮化硼涂層具有至少約32GPa的硬/又。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的切削工具，其中所述立方氮化硼涂層的厚度超過約450nm。
全文摘要
一種表面具有立方氮化硼硬質(zhì)涂層的切削工具，其是用射頻磁控濺射的方法在高速鋼基體上制備涂層，通過在燒結(jié)BN靶材中添加少量的Fe，從而能夠在立方氮化硼涂層中或立方氮化硼與基體之間，形成少量的鐵或氮化鐵相，從而減小立方氮化硼與高速鋼基體材料的熱膨脹系數(shù)，進(jìn)而避免了涂層與基體的爆裂剝離，提高了涂層與基體的致密性和結(jié)合力；并且通過合理的參數(shù)控制，在切削工具表面制備出均勻且較厚的立方氮化硼涂層。
文檔編號(hào)C23C14/06GK102534494SQ20121002039
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者張金鳳 申請(qǐng)人:張金鳳