[发明专利]一种具有超硬膜涂层的刀具及其制备方法

说明书

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。