立方氮化硼涂层刀具的制备方法
【专利摘要】一种立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其特征是它包括：Si3N4陶瓷衬底的预处理；将衬底放入热丝化学气相沉积设备中沉积掺硼金刚石；对沉积好的薄膜样品放入直流等离子体喷射化学气相沉积设备中在30～40V正偏压下进行刻蚀清洁表面预处理30～45s，接着沉积立方氮化硼涂层，具体参数:BF3,N2,Ar和H2的流量分别为20sccm、2slm、3slm、4sccm，总的反应气压为4kPa，衬底负偏压为65V，衬底温度为860?C，沉积时间为50min。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。
【专利说明】立方氮化硼涂层刀具的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种超硬材料薄膜制备技术，尤其是一种立方氮化硼涂层刀具的制备方法，具体地说是一种使用直流等离子体喷射化学气相沉积法在Si3N4衬底上以掺硼金刚石为过渡层沉积立方氮化硼刀具涂层的制备方法。
【背景技术】 [0002]众所周知，立方氮化硼(cBN)在硬度和热导率方面仅次于金刚石，且热稳定性极好，在大气中1300 C以下不发生氧化反应，在真空中1550 C才开始向六方氮化硼(hBN)转变，在1150 C以下不和铁系金属反应，加上cBN有优良的耐磨性、极小的摩擦系数，使得cBN成为加工钢铁材料的理想刀具，特别适用于加工各种淬硬钢、冷硬钢等难加工材料。更为诱人的是，cBN的禁带宽度约为6.4eV,并能进行简单的p型和n型掺杂，使它成为大功率高温电子器件的首选材料。另外，cBN在大范围波长区间的光线有很好的透过性，使它在光学窗口镀膜领域也具有潜在的应用前景。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Si3N4陶瓷刀具基体，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。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。
[0003]研究发现，Si3N4陶瓷是制备金刚石过渡层的新型衬底材料，其原因除了 Si3N4陶瓷是强度最高、韧性最好的陶瓷材料之一外，更在于其热膨胀系数和金刚石的热膨胀系数的差距比硬质合金的热膨胀系数和金刚石的热膨胀系数的差距相比来说更小；Si3N4陶瓷有较强的化学兼容性，有利于金刚石在衬底上形核；Si3N4陶瓷与金刚石有低热失配率可以获得低内应力的涂层，从而获得较高质量的金刚石涂层。此外，研究还发现金刚石是最适宜cBN生长的衬底材料，其原因是金刚石与cBN有相近的晶格常数，更为接近的表面自由能；金刚石大量的表面微观缺陷为cBN提供了合适的成核区；cBN和金刚石最佳的兼容性使得金刚石显然是cBN薄膜生长的优良衬底。但是Si3N4陶瓷是一种不导电材料，没有掺杂的金刚石也不导电，通常我们在沉积过程会对衬底施加一定的偏压来诱导离子轰击衬底，以沉积出更高质量的金刚石。然而，因为上述两种材料均不导电，所以无法在Si3N4衬底上以金刚石为过渡层沉积立方氮化硼时有效的对衬底施加直流偏压，这样就沉积不出cBN涂层。因此，本发明提出在Si3N4陶瓷衬底上沉积掺硼金刚石作为过渡层以实现cBN涂层刀具的制备，即在Si3N4陶瓷刀具表面依次沉积掺硼金刚石过渡层和cBN涂层，其中，cBN为刀具提供了良好的化学惰性，掺硼金刚石过渡层提供与Si3N4陶瓷基底较强的结合能力，也提供cBN生长的最佳衬底材料，其较好的导电性可以使得沉积系统能有效的对衬底施加直流偏压，同时，其优异的力学性能为cBN涂层提供坚实的支撑。这些大大提高了 cBN涂层与基底的结合强度，提高了 cBN涂层的应用范围。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对硬质合金基底与金刚石过渡层结合力差，以及无法用一般直流偏压系统对不导电衬底及金刚石过渡层施加偏压的问题，发明一种使用Si3N4陶瓷作为衬底，掺硼金刚石作为过渡层的立方氮化硼涂层刀具的制备方法。
[0005]本发明的技术方案是:
一种立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其特征是它包括:
(一)衬底的预处理:使用Si3N4陶瓷刀片作为衬底材料，先将Si3N4陶瓷刀片进行表面打磨，打磨使用W20、W14、W7型号金刚石砂纸从粗到细依次打磨共计30~45min ;之后将打磨后的Si3N4陶瓷刀片放入丙酮溶液中超声清洗10~15min，再将经所述超声清洗后的Si3N4陶瓷刀片置于由粒度为0.5~IMffl的金刚石微晶粉末配置而成的丙酮悬浊液中超声15~20min，取出后立即用去离子水滤过表面，放入酒精溶液中再超声清洗5~lOmin，电吹风吹干待用，得到衬底；
(二)钽丝预处理:热丝化学气相沉积设备中的热丝为钽丝，将钽丝拉直并固定在衬底上方，然后在总气体流量400sCCm，C/H为2%~4%(体积百分比)的碳源浓度下碳化I小时；碳化后升起沉积台，控制衬底与钽丝的距离为4~8mm ；
(三)衬底表面喷金处理及沉积掺硼金刚石过渡层:为保证衬底偏压电流的顺利导出，应先对经过预处理的作为衬底的陶瓷刀片背面进行喷金处理；再使用热丝化学气相沉积法在经过喷金处理的衬底上沉积掺硼金刚石，得到表面有掺硼金刚石过渡层的衬底；
(四)最后，沉积立方氮化硼涂层:将沉积好掺硼金刚石过渡层的衬底放入直流等离子体喷射化学气相沉积设备中，先通入BF3, N2, Ar这三种气体，在正偏压30~40V条件下刻蚀30~45s，对衬底进行清洁处理；刻蚀完后通入H2,然后在经过清洁处理的表面沉积有掺硼金刚石过渡层的衬底上再沉积立方氮化硼涂层，得到结合强度满足要求的立方氮化硼涂层刀具。`
[0006]所述的丙酮悬浊液中金刚石微晶粉末的重量百分比为0.1~1%。
[0007]所述的热丝法化学气相沉积掺硼金刚石的工艺参数为:衬底置于钽丝下方约4~8mm,热丝温度2400~2700 C，衬底温度800°C，反应气压2.5kPa，碳源浓度1%，掺硼浓度2000~4000ppm,总流量400sccm,沉积时间5h。
[0008]所述的立方氮化硼涂层沉积工艺参数为:BF3, N2,么1'和112的流量分别为20%011、2slm、3slm、4sccm，总的反应气压为4kPa，衬底负偏压为65V，衬底温度为860 C，沉积时间为50min。
[0009]本发明的有益效果:
实验证明(图1)使用Si3N4陶瓷为基底沉积掺硼金刚石过渡层可以得到比较优质的过渡层；实验证明(图2)使用Si3N4陶瓷为基底掺硼金刚石过渡层可以制备出较高质量的cBN涂层；本发明工艺简单，条件比较容易控制，操作较容易，涂层与基底的结合性能得到显著改善。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明在Si3N4陶瓷基底上沉积掺硼金刚石涂层的拉曼光谱实验结果图，基底表面确实沉积了掺硼金刚石。[0011]图2是本发明在Si3N4陶瓷基底上沉积掺硼金刚石过渡层后再沉积CBN涂层的FTIR反射谱图，可见涂层中确实含有cBN，且cBN涂层质量较好。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0013]如图1-2所示。
[0014]一种立方氮化硼涂层刀具的制备方法，它包括以下步骤: (一)衬底的预处理:使用Si3N4陶瓷刀片作为衬底材料，先将Si3N4陶瓷刀片进行表面打磨，打磨使用W20、W14、W7型号金刚石砂纸从粗到细依次打磨共计30~45min ;之后将打磨后的Si3N4陶瓷刀片放入丙酮溶液中超声清洗10~15min，再将经所述超声清洗后的Si3N4陶瓷刀片置于由粒度为0.5~IMffl的金刚石微晶粉末配置而成的丙酮悬浊液中超声15~20min，所述的丙酮悬浊液中金刚石微晶粉末的重量百分比为0.1~1%，取出后立即用去离子水滤过表面,放入酒精溶液中再超声清洗5~lOmin，电吹风吹干待用，得到衬底；
(二)钽丝预处理:热丝化学气相沉积设备中的热丝为钽丝，将钽丝拉直并固定在衬底上方，然后在总气体流量400sCCm，C/H为2%~4%(体积百分比)的碳源浓度下碳化I小时；碳化后升起沉积台，控制衬底与钽丝的距离为4~8mm ；
(三)衬底表面喷金处理及沉积掺硼金刚石过渡层:为保证衬底偏压电流的顺利导出，应先对经过预处理的作为衬底的陶瓷刀片背面进行喷金处理；再使用热丝化学气相沉积法在经过喷金处理的衬底上沉积掺硼金刚石，得到表面有掺硼金刚石过渡层的衬底；在Si3N4陶瓷衬底上沉积掺硼金刚石涂层的拉曼光谱实验结果图如图1所示，所述的热丝法化学气相沉积掺硼金刚石的工艺参数为:衬底置于钽丝下方约4~8mm，热丝温度2400~2700°C,衬底温度800°C，反应气压2.5kPa，碳源浓度1%，掺硼浓度2000~4000ppm，总流量400sccm,沉积时间5h。
[0015](四)最后，沉积立方氮化硼涂层:将沉积好掺硼金刚石过渡层的衬底放入直流等离子体喷射化学气相沉积设备中，先通入BF3, N2, Ar这三种气体，在正偏压30~40V条件下刻蚀30~45s，对衬底进行清洁处理；刻蚀完后通入H2,然后在经过清洁处理的表面沉积有掺硼金刚石过渡层的衬底上再沉积立方氮化硼涂层，得到结合强度满足要求的立方氮化硼涂层刀具。所述的立方氮化硼涂层沉积工艺参数为:BF3，N2, Ar或H2的流量分别为20sccm、2slm、3slm、4sccm,总的反应气压为4kPa,衬底负偏压为65V,衬底温度为860°C,沉积时间为50min。cBN涂层的FTIR反射谱图如图2所示。
[0016]实例I。
[0017]( I)衬底的预处理:使用Si3N4陶瓷刀片作为衬底材料，先将Si3N4陶瓷刀片进行表面打磨，抛光使用W20、W14、W7型号金刚石砂纸从粗到细依次打磨共计40min。之后将刀片放入丙酮溶液中超声清洗12min，再将衬底置于由金刚石微晶粉末配置而成的丙酮悬浊液中超声15min，取出后立即用去离子水滤过表面，放入酒精溶液中超声清洗8min，电吹风吹干待用，得到衬底。
[0018](2)钽丝预处理:热丝化学气相沉积设备中的热丝为钽丝，将钽丝拉直并固定在衬底上方，然后在总气体流量400SCCm，C/H为4%的碳源浓度下碳化I小时；碳化后升起沉积台，控制衬底与钽丝的距离为8mm。[0019](3)衬底表面喷金处理及沉积掺硼金刚石过渡层:为保证衬底偏压电流的顺利导出，对陶瓷刀片背面进行喷金处理。再使用热丝化学气相沉积法在上述经过预处理的衬底上沉积掺硼金刚石，得到表面有掺硼金刚石过渡层的衬底；所述的热丝法化学气相沉积掺硼金刚石的工艺参数为:衬底置于钽丝下方约8mm，热丝温度2400~2700°C，衬底温度8000C，反应气压2.5kPa，碳源浓度1%，掺硼浓度4000ppm，总流量400sccm，沉积时间5h。
[0020](4)沉积立方氮化硼涂层:将沉积好掺硼金刚石过渡层的样品放入直流等离子体喷射化学气相沉积设备中，先通入BF3, N2, Ar这三种气体，在正偏压40V条件下刻蚀40s，对衬底进行清洁处理；刻蚀完后通入H2,然后在经过清洁处理的表面沉积有掺硼金刚石过渡层的衬底上沉积立方氮化硼涂层，得到结合强度满足要求的立方氮化硼涂层刀具。具体的工艺参数为:BF3，N2, Ar和4的流量分别为20sccm、2slm、3slm、4sccm，总的反应气压为4kPa，衬底负偏压为65V，衬底温度为860°C，沉积时间为50min。
[0021]实例2。
[0022]( I)衬底的预处理:使用Si3N4陶瓷刀片作为衬底材料，先将Si3N4陶瓷刀片进行表面打磨，抛光使用W20、W14、W7型号金刚石砂纸从粗到细依次打磨共计45min。之后将刀片放入丙酮溶液中超声清洗15min，再将衬底置于由粒度为0.5~Ium金刚石微晶粉末配置而成的丙酮悬浊液中超声19min，取出后立即用去离子水滤过表面，放入酒精溶液中超声清洗lOmin，电吹风吹干待用，得到衬底。
[0023](2)钽丝预处理:热丝化学气相沉积设备中的热丝为钽丝，将钽丝拉直并固定在衬底上方，然后在总气体流量400SCCm，C/Η为3%的碳源浓度下碳化I小时；碳化后升起沉积台，控制衬底与钽丝的距离为7mm。
[0024](3)衬底表面喷金处理及沉积掺硼金刚石过渡层:为保证衬底偏压电流的顺利导出，对陶瓷刀片背面进行喷金处理。再使用热丝化学气相沉积法在上述经过预处理的衬底上沉积掺硼金刚石，得到`表面有掺硼金刚石过渡层的衬底；所述的热丝法化学气相沉积掺硼金刚石的工艺参数为:衬底置于钽丝下方约7mm，热丝温度2400~2700°C，衬底温度8000C，反应气压2.5kPa，碳源浓度1%，掺硼浓度4000ppm，总流量400sccm，沉积时间5h。
[0025](4)表面沉积有掺硼金刚石过渡层的衬底表面预处理:在沉积立方氮化硼之前在射频磁控溅射沉积设备中，先通入纯氩气，然后施加衬底负偏压200V，溅射功率为50W，对有掺硼金刚石过渡层的Si3N4陶瓷衬底进行预溅射，溅射时间为30min。
[0026](5)沉积立方氮化硼涂层:使用射频磁控溅射沉积设备在经过预处理的表面沉积有掺硼金刚石过渡层的衬底上沉积立方氮化硼涂层，得到结合强度满足要求的立方氮化硼涂层刀具。具体的沉积工艺参数为:工作气体Ar和N2的体积比为9，溅射功率为250W，衬底负偏压为150V，沉积气压为0.6~0.7Pa，沉积温度为450°C，沉积时间为150min。
[0027]实例3
(I)衬底的预处理:使用Si3N4陶瓷刀片作为衬底材料，先将Si3N4陶瓷刀片进行表面打磨，抛光使用W20、W14、W7型号金刚石砂纸从粗到细依次打磨共计30min。之后将刀片放入丙酮溶液中超声清洗lOmin，再将衬底置于由金刚石微晶粉末配置而成的丙酮悬浊液中超声18min，取出后立即用去离子水滤过表面，放入酒精溶液中超声清洗5min，电吹风吹干待用，得到衬底。
[0028](2)钽丝预处理:热丝化学气相沉积设备中的热丝为钽丝，将钽丝拉直并固定在衬底上方，然后在总气体流量400SCCm，C/Η为3%的碳源浓度下碳化I小时；碳化后升起沉积台，控制衬底与钽丝的距离为6m。
[0029](3)衬底表面喷金处理及沉积掺硼金刚石过渡层:为保证衬底偏压电流的顺利导出，对陶瓷刀片背面进行喷金处理。再使用热丝化学气相沉积法在上述经过预处理的衬底上沉积掺硼金刚石，得到表面有掺硼金刚石过渡层的衬底；所述的热丝法化学气相沉积掺硼金刚石的工艺参数为:衬底置于钽丝下方约6mm，热丝温度2400°C，衬底温度800°C，反应气压2.5kPa，碳源浓度1%，掺硼浓度3000ppm，总流量400sccm，沉积时间5h。
[0030](4)沉积立方氮化硼涂层:将沉积好掺硼金刚石过渡层的样品放入直流等离子体喷射化学气相沉积设备中，先通入BF3, N2, Ar这三种气体，在正偏压35V条件下刻蚀30s，对衬底进行清洁处理；刻蚀完后通入H2,然后在经过清洁处理的表面沉积有掺硼金刚石过渡层的衬底上沉积立方氮化硼涂层，得到结合强度满足要求的立方氮化硼涂层刀具。具体的工艺参数为:BF3，N2, Ar和4的流量分别为20sccm、2slm、3slm、4sccm，总的反应气压为4kPa，衬底负偏压为65V，衬底温度为860°C，沉积时间为50min。
[0031]实例4。
[0032]( I)衬底的预处理:使用Si3N4陶瓷刀片作为衬底材料，先将Si3N4陶瓷刀片进行表面打磨，抛光使用W20、W14、W7型号金刚石砂纸从粗到细依次打磨共计45min。之后将刀片放入丙酮溶液中超声清洗15min，再将衬底置于由粒度为0.5~IMm金刚石微晶粉末配置而成的丙酮悬浊液中超声20min，取出后立即用去离子水滤过表面，放入酒精溶液中超声清洗lOmin，电吹风吹干待用，得到衬底。
[0033](2)钽丝预处理:热丝化学气相沉积设备中的热丝为钽丝，将钽丝拉直并固定在衬底上方，然后在总气体流量400SCCm，C/Η为2%的碳源浓度下碳化I小时；碳化后升起沉积台，控制衬底与钽丝的距离为5mm。
[0034](3)衬底表面喷金处理及沉积掺硼金刚石过渡层:为保证衬底偏压电流的顺利导出，对陶瓷刀片背面进行喷金处理。再使用热丝化学气相沉积法在上述经过预处理的衬底上沉积掺硼金刚石，得到表面有掺硼金刚石过渡层的衬底；所述的热丝法化学气相沉积掺硼金刚石的工艺参数为:衬底置于钽丝下方约4mm，热丝温度2700°C，衬底温度800°C，反应气压2.5kPa，碳源浓度1%，掺硼浓度2000ppm，总流量400sccm，沉积时间5h。
[0035](4)表面沉积有掺硼金刚石过渡层的衬底表面预处理:在沉积立方氮化硼之前在射频磁控溅射沉积设备中，先通入纯氩气，然后施加衬底偏压200V，溅射功率为50W，对有掺硼金刚石过渡层的Si3N4陶瓷衬底进行预溅射，溅射时间为30min。
[0036](5)沉积立方氮化硼涂层:使用射频磁控溅射沉积设备在经过预处理的表面沉积有掺硼金刚石过渡层的衬底上沉积立方氮化硼涂层，得到结合强度满足要求的立方氮化硼涂层刀具。具体的沉积工艺参数为:工作气体Ar和N2的体积比为9，溅射功率为250W，衬底负偏压为150V，沉积气压为0.6~0.7Pa，沉积温度为450°C，沉积时间为150min。
[0037]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。
【权利要求】
1.一种立方氮化硼涂层刀具的制备方法，其特征是它包括: (一)衬底的预处理:使用Si3N4陶瓷刀片作为衬底材料，先将Si3N4陶瓷刀片进行表面打磨，打磨使用W20、W14、W7型号金刚石砂纸从粗到细依次打磨共计30~45min ;之后将打磨后的Si3N4陶瓷刀片放入丙酮溶液中超声清洗10~15min，再将经所述超声清洗后的Si3N4陶瓷刀片置于由粒度为0.5~IMffl的金刚石微晶粉末配置而成的丙酮悬浊液中超声15~20min，取出后立即用去离子水滤过表面，放入酒精溶液中再超声清洗5~lOmin，电吹风吹干待用，得到衬底； (二)钽丝预处理:热丝化学气相沉积设备中的热丝为钽丝，将钽丝拉直并固定在衬底上方，然后在总气体流量400SCCm，C/H为2%~4%的碳源浓度下碳化I小时；碳化后升起沉积台，控制衬底与钽丝的距离为4~8mm ; (三)衬底表面喷金处理及沉积掺硼金刚石过渡层:为保证衬底偏压电流的顺利导出，应先对经过预处理的作为衬底的陶瓷刀片背面进行喷金处理；再使用热丝化学气相沉积法在经过喷金处理的衬底上沉积掺硼金刚石，得到表面有掺硼金刚石过渡层的衬底； (四)最后，沉积立方氮化硼涂层:将沉积好掺硼金刚石过渡层的衬底放入直流等离子体喷射化学气相沉积设备中，先通入BF3, N2, Ar这三种气体，在正偏压30~40V条件下刻蚀30~45s，对衬底进行清洁处理；刻蚀完后通入H2,然后在经过清洁处理的表面沉积有掺硼金刚石过渡层的衬底上再沉积立方氮化硼涂层，得到结合强度满足要求的立方氮化硼涂层刀具。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的丙酮悬浊液中金刚石微晶粉末的重量百分比为0.1~1%。
3.根据权利要求1所述`的方法，其特征是所述的热丝法化学气相沉积掺硼金刚石的工艺参数为:衬底置于钽丝下方约4~8mm，热丝温度2400~2700 C，衬底温度800°C，反应气压2.5kPa,碳源浓度1%，掺硼浓度2000~4000ppm,总流量400sccm,沉积时间5h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的立方氮化硼涂层沉积工艺参数为:BF3，N2, Ai^PH2的流量分别为20sccm、2slm、3slm、4sccm,总的反应气压为4kPa,衬底负偏压为65V，衬底温度为860 C，沉积时间为50min。
【文档编号】C23C16/34GK103628036SQ201310672421
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】徐锋, 刘召志, 唐晓龙, 黄宇峰, 左敦稳 申请人:南京航空航天大学