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
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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Al2O3等，这些涂层的硬度通常为15GPa至40Gpa。
[0005]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°C才发生氧化，而金刚石在大气中的氧化温度为6000C，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。
[0006]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】
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011 ]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。
[0012]上述TiBCN层中硼的含量为10&丨%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。
[0013]优选的，上述TiBCN层的晶粒是小于500nm的柱状构型。
[0014]
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。
[0015]进一步的，所述步骤(I)具体是采用MT-CVD法制备TiBCN层，其制备温度为800-950°C，并且采用BCl3作为硼源，BCl3占总气流的0.5%-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°C、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；
所述步骤(3)制备CBN层所采用的工艺参数为:BF3、N2、Ar和H2的流量分别为20sCCm、2slm、4slm、5sccm，总反应气压为4Kpa，衬底负偏压为65V，衬底温度为860°C，沉积时间为60mino
[0016]
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，由刀具基体和设置于刀具基体上的氮化硼系复合涂层构成；
所述刀具基体包括正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，所述正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列；
所述氮化硼系复合涂层包括用于沉积于贫钴富立方相层表面作为过渡层的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。
[0017]上所述刀具基体中钴的含量为5-15wt.%;
所述正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-lOOOOnm;
所述正常组织层的厚度大于2mm，所述富钴过渡层的厚度为20-100微米;所述贫钴富立方相层的厚度为20-50微米；
所述过渡层厚度为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；
所述TiBCN层中硼的含量为10&丨%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。
[0018]上述刀具基体中钴的含量为8_12wt.%;所述正常组织层的WC晶粒尺寸为Inm-400nm;通过权利要求6或7的方法制备所述氮化硼系复合涂层。
[0019]本发明的氮化硼系复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好。具有该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。
【附图说明】
[0020]利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
[0021]图1是本发明一种氮化硼系复合涂层的层间结构示意图。
[0022]图2是本发明一种具有氮化硼系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的层间结构示意图。
[0023]图3是本发明一种具有氮化硼系复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的示意图。
【具体实施方式】
[0024]结合以下实施例对本发明作进一步描述。
[0025]实施例1。
[0026]—种氮化硼系复合涂层，如图1所示，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。
[0027]过渡层厚度为0.1-15微米，结合层的厚度为1.6-3微米，耐磨层的厚度为0.1_3微米。
[0028]优选，过渡层厚度为2-8微米，结合层的厚度为1.6-2微米，耐磨层的厚度为1.0-2.0微米。
[0029]TiBCN层的设置，可以在沉积于硬质合金刀具基体表面时，能够防止基体中的钨、钴等元素渗透到涂层的现象，改善涂层的晶体生长方向、显微结构和结合力，从而改善涂层与基体之间的结合力以及相邻涂层间的粘附力。TiBCN层中硼的含量为10&七％至15at%，TiBCN层的晶粒是小于2微米的粒状至柱状构型，优选TiBCN层的晶粒是小于500nm的柱状构型，TiBCN层显微维氏硬度达到30Gpa以上。
[0030]Ni3Si2层的设置，是为了有效沉积耐磨层，因为Ni与C-BN晶格常数很接近，且具有面心立方结构，易于C-BN的成核生长，且有利于改善C-BN沉积的内应力，通过设置Ni3Si2层作为结合层以使其与耐磨