[发明专利]氮化硼系复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硬质合金刀具技术领域，特别是涉及一种氮化硼系复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法。

背景技术

涂层硬质合金刀具的出现是刀具发展史上的一个重要里程碑。它是在强度和韧性较好的硬质合金基体上，利用气相沉积方法涂覆一薄层耐磨性好的难熔金属或非金属化合物而形成。

涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损。涂层具有很高的硬度和耐热性，并降低了刀具与工件间的摩擦系数，因此涂层刀具比未涂层刀具可显著地提高使用寿命，通常涂层刀具的寿命可比未涂层刀具高2-5倍。

为提高硬质合金刀具的耐磨性，人们通过气相沉积方法制备不同的涂层，从而在其表面涂覆具有更高耐磨性能硬质材料涂层，如TiC，TiN，TiCN 和 A1₂0₃ 等，这些涂层的硬度通常为 15GPa 至 40Gpa。

立方氮化硼(cubic boron nitride，CBN) 是仅次于金刚石的第二种超硬材料，有着优异的物理与化学性能，在硬度与热导率方面仅次于金刚石，而热稳定性则显著优于金刚石，在大气中加热至1200℃才发生氧化，而金刚石在大气中的氧化温度为600℃，CBN对于黑色金属具有极为稳定的化学性能，可广泛应用于钢铁制品的切削加工，完全能胜任淬硬钢、轴承钢、高速钢、工具钢、冷硬铸铁、高温合金、热喷涂材料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，被认为是21世纪最具有发展前景的刀具材料之一。但是由于薄膜应力和膜基结合力等关键问题得不到解决，CBN 薄膜在硬质合金刀具方面的应用受到限制。

因此，针对现有技术不足，提供一种适用于硬质合金刀具表面性能增强的氮化硼系复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法以克服现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的目的之一在于避免现有技术的不足之处而提供一种氮化硼系复合涂层及其制备方法，氮化硼系复合涂层与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，其耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好。

本发明的另一目的在于提供一种具有氮化硼系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，具有良好的耐磨耐温性能。

本发明的上述目的通过如下技术手段实现。

提供一种氮化硼系复合涂层，包括用于沉积至刀具基体表面作为过渡层的TiBCN层、沉积于过渡层上作为结合层的Ni₃Si₂层和沉积于结合层上作为耐磨层的CBN层。

上述过渡层厚度为0.1-15微米；所述结合层的厚度为1.6-3微米；所述耐磨层的厚度为0.1-3微米。

进一步的，上述过渡层厚度为2-8微米；所述结合层的厚度为1.6-2微米；所述耐磨层的厚度为1.0-2.0微米。

上述TiBCN 层中硼的含量为10at%至15at%；所述TiBCN层的晶粒是小于2微米的粒状至柱状构型，所述TiBCN 层显微维氏硬度达到30Gpa以上。

优选的，上述TiBCN层的晶粒是小于500nm的柱状构型。

提供上述氮化硼系复合涂层的制备方法，包括如下步骤，

（1）采用CVD 法沉积作为过渡层的TiBCN层；

（2）采用CVD 法将作为结合层的Ni₃Si₂层沉积于所述过渡层上；

（3）采用CVD 法将作为耐磨层的CBN层沉积于所述结合层上。

进一步的，所述步骤（1）具体是采用MT-CVD 法制备TiBCN 层，其制备温度为 800-950℃，并且采用BCl₃作为硼源，BCl₃占总气流的O.5%-10%，乙腈用作碳源和氮源；

所述步骤（2）具体是采用高纯Ni₃Si₂合金靶，用高纯氮气作为溅射气体，在基体温度500℃、压力0.2Pa、溅射功率300W、溅射时间为2.5-4小时的溅射条件下制备所述结合层；

将沉积好的Ni₃Si₂层衬底放入直流等离子体的喷射化学气相沉积设备中，先通入BF3、N2和Ar三种气体，在正偏压30-40V条件下刻蚀25-35分钟，对衬底进行清洁处理，刻蚀完后通入H₂，然后再沉积CBN层；