氮化硼系復(fù)合涂層、具有該復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及硬質(zhì)合金刀具技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種氮化硼系復(fù)合涂層、具有該復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]涂層硬質(zhì)合金刀具的出現(xiàn)是刀具發(fā)展史上的一個重要里程碑。它是在強度和韌性較好的硬質(zhì)合金基體上，利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物而形成。
[0003]涂層作為一個化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少了月牙洼磨損。涂層具有很高的硬度和耐熱性，并降低了刀具與工件間的摩擦系數(shù)，因此涂層刀具比未涂層刀具可顯著地提高使用壽命，通常涂層刀具的壽命可比未涂層刀具高
2-5 倍。
[0004]為提高硬質(zhì)合金刀具的耐磨性，人們通過氣相沉積方法制備不同的涂層，從而在其表面涂覆具有更高耐磨性能硬質(zhì)材料涂層，如TiC，TiN，TiCN和Al2O3等，這些涂層的硬度通常為15GPa至40Gpa。
[0005]立方氮化硼(cubic boron nitride,CBN)是僅次于金剛石的第二種超硬材料，有著優(yōu)異的物理與化學(xué)性能，在硬度與熱導(dǎo)率方面僅次于金剛石，而熱穩(wěn)定性則顯著優(yōu)于金剛石，在大氣中加熱至1200°C才發(fā)生氧化，而金剛石在大氣中的氧化溫度為6000C，CBN對于黑色金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能，可廣泛應(yīng)用于鋼鐵制品的切削加工，完全能勝任淬硬鋼、軸承鋼、高速鋼、工具鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金、熱噴涂材料等難加工材料的切削加工，是目前實現(xiàn)“以切代磨”的最佳刀具之一，被認(rèn)為是21世紀(jì)最具有發(fā)展前景的刀具材料之一。但是由于薄膜應(yīng)力和膜基結(jié)合力等關(guān)鍵問題得不到解決，CBN薄膜在硬質(zhì)合金刀具方面的應(yīng)用受到限制。
[0006]因此，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種適用于硬質(zhì)合金刀具表面性能增強的氮化硼系復(fù)合涂層、具有該復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具及其制備方法以克服現(xiàn)有技術(shù)不足甚為必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的之一在于避免現(xiàn)有技術(shù)的不足之處而提供一種氮化硼系復(fù)合涂層及其制備方法，氮化硼系復(fù)合涂層與刀具基體結(jié)合性良好，復(fù)合涂層的涂層之間附著力良好，其耐高溫性、耐腐蝕性、耐磨性良好。
[0008]本發(fā)明的另一目的在于提供一種具有氮化硼系復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具，具有良好的耐磨耐溫性能。
[0009]本發(fā)明的上述目的通過如下技術(shù)手段實現(xiàn)。
提供一種氮化硼系復(fù)合涂層，包括用于沉積至刀具基體表面作為過渡層的TiBCN層、沉積于過渡層上作為結(jié)合層的Ni3Si2層和沉積于結(jié)合層上作為耐磨層的CBN層。
[0010]上述過渡層厚度為0.1-15微米;所述結(jié)合層的厚度為1.6-3微米;所述耐磨層的厚度為0.1-3微米。
[0011 ]進一步的，上述過渡層厚度為2-8微米;所述結(jié)合層的厚度為1.6-2微米;所述耐磨層的厚度為1.0-2.0微米。
[0012]上述TiBCN層中硼的含量為10&丨%至15at%；所述TiBCN層的晶粒是小于2微米的粒狀至柱狀構(gòu)型，所述TiBCN層顯微維氏硬度達到30Gpa以上。
[0013]優(yōu)選的，上述TiBCN層的晶粒是小于500nm的柱狀構(gòu)型。
[0014]
提供上述氮化硼系復(fù)合涂層的制備方法，包括如下步驟，
(1)采用CVD法沉積作為過渡層的TiBCN層；
(2)采用CVD法將作為結(jié)合層的Ni3Si2層沉積于所述過渡層上；
(3)采用CVD法將作為耐磨層的CBN層沉積于所述結(jié)合層上。
[0015]進一步的，所述步驟(I)具體是采用MT-CVD法制備TiBCN層，其制備溫度為800-950°C，并且采用BCl3作為硼源，BCl3占總氣流的0.5%-10%，乙腈用作碳源和氮源；
所述步驟(2)具體是采用高純Ni3Si2合金靶，用高純氮氣作為濺射氣體，在基體溫度500°C、壓力0.2Pa、濺射功率300W、濺射時間為2.5_4小時的濺射條件下制備所述結(jié)合層；將沉積好的Ni3Si2層襯底放入直流等離子體的噴射化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，先通入BF3、N2和Ar三種氣體，在正偏壓30-40V條件下刻蝕25-35分鐘，對襯底進行清潔處理，刻蝕完后通入H2，然后再沉積CBN層；
所述步驟(3)制備CBN層所采用的工藝參數(shù)為:BF3、N2、Ar和H2的流量分別為20sCCm、2slm、4slm、5sccm，總反應(yīng)氣壓為4Kpa，襯底負(fù)偏壓為65V，襯底溫度為860°C，沉積時間為60mino
[0016]
提供一種具有氮化硼系復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具，由刀具基體和設(shè)置于刀具基體上的氮化硼系復(fù)合涂層構(gòu)成；
所述刀具基體包括正常組織層、富鈷過渡層和貧鈷富立方相層，所述正常組織層、富鈷過渡層和貧鈷富立方相層按照從內(nèi)而外的順序依次排列；
所述氮化硼系復(fù)合涂層包括用于沉積于貧鈷富立方相層表面作為過渡層的TiBCN層、沉積于過渡層上作為結(jié)合層的Ni3Si2層和沉積于結(jié)合層上作為耐磨層的CBN層。
[0017]上所述刀具基體中鈷的含量為5-15wt.%;
所述正常組織層為超細(xì)硬質(zhì)合金，WC晶粒尺寸為1-lOOOOnm;
所述正常組織層的厚度大于2mm，所述富鈷過渡層的厚度為20-100微米;所述貧鈷富立方相層的厚度為20-50微米；
所述過渡層厚度為0.1-15微米;所述結(jié)合層的厚度為1.6-3微米;所述耐磨層的厚度為
0.1-3微米；
所述TiBCN層中硼的含量為10&丨%至15at% ；所述TiBCN層的晶粒是小于2微米的粒狀至柱狀構(gòu)型，所述TiBCN層顯微維氏硬度達到30Gpa以上。
[0018]上述刀具基體中鈷的含量為8_12wt.%;所述正常組織層的WC晶粒尺寸為Inm-400nm;通過權(quán)利要求6或7的方法制備所述氮化硼系復(fù)合涂層。
[0019]本發(fā)明的氮化硼系復(fù)合涂層，其與刀具基體結(jié)合性良好，復(fù)合涂層的涂層之間附著力良好，耐高溫性、耐腐蝕性、耐磨性良好。具有該氮化硼系復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具，具有良好的耐磨耐溫性能。
【附圖說明】
[0020]利用附圖對本發(fā)明作進一步的說明，但附圖中的內(nèi)容不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。
[0021]圖1是本發(fā)明一種氮化硼系復(fù)合涂層的層間結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2是本發(fā)明一種具有氮化硼系復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具的層間結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3是本發(fā)明一種具有氮化硼系復(fù)合涂層的梯度超細(xì)硬質(zhì)合金刀具的示意圖。
【具體實施方式】
[0024]結(jié)合以下實施例對本發(fā)明作進一步描述。
[0025]實施例1。
[0026]—種氮化硼系復(fù)合涂層，如圖1所示，包括用于沉積至刀具基體表面作為過渡層的TiBCN層、沉積于過渡層上作為結(jié)合層的Ni3Si2層和沉積于結(jié)合層上作為耐磨層的CBN層。
[0027]過渡層厚度為0.1-15微米，結(jié)合層的厚度為1.6-3微米，耐磨層的厚度為0.1_3微米。
[0028]優(yōu)選，過渡層厚度為2-8微米，結(jié)合層的厚度為1.6-2微米，耐磨層的厚度為1.0-2.0微米。
[0029]TiBCN層的設(shè)置，可以在沉積于硬質(zhì)合金刀具基體表面時，能夠防止基體中的鎢、鈷等元素滲透到涂層的現(xiàn)象，改善涂層的晶體生長方向、顯微結(jié)構(gòu)和結(jié)合力，從而改善涂層與基體之間的結(jié)合力以及相鄰?fù)繉娱g的粘附力。TiBCN層中硼的含量為10&七％至15at%，TiBCN層的晶粒是小于2微米的粒狀至柱狀構(gòu)型，優(yōu)選TiBCN層的晶粒是小于500nm的柱狀構(gòu)型，TiBCN層顯微維氏硬度達到30Gpa以上。
[0030]Ni3Si2層的設(shè)置，是為了有效沉積耐磨層，因為Ni與C-BN晶格常數(shù)很接近，且具有面心立方結(jié)構(gòu)，易于C-BN的成核生長，且有利于改善C-BN沉積的內(nèi)應(yīng)力，通過設(shè)置Ni3Si2層作為結(jié)合層以使其與耐磨