一种立方氮化硼基体表面粗糙化处理方法，改性立方氮化硼基体及立方氮化硼涂层刀具技术

本发明专利技术公开了一种立方氮化硼基体表面粗糙化处理方法，改性立方氮化硼基体及立方氮化硼涂层刀具，该表面粗糙化处理方法包括：1)采用物理气相沉积法在立方氮化硼基体表面形成岛状不连续的玻璃相层，得涂层基体；所述玻璃相层含有对立方氮化硼基体具有刻蚀性的玻璃相成分；2)将所得涂层基体在保护气氛或弱氧化气氛下进行退火，即得表面粗糙化的改性立方氮化硼基体；所述弱氧化气氛为保护气体与氧化性气体的混合物。本发明专利技术的立方氮化硼基体表面粗糙化处理方法，通过玻璃相的蚀刻作用，在基体表面形成微纳米绒毛表面，使基体表面粗糙化，从而增加刀具基体和硬质涂层的结合面积，提高硬质涂层与刀具基体的结合力，提高刀具的整体使用性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于立方氮化硼复合材料
，具体涉及一种立方氮化硼基体表面粗糙化处理方法，同时还涉及一种采用所述表面粗糙化处理方法处理所得的改性立方氮化硼基体，及采用该改性立方氮化硼基体的立方氮化硼涂层刀具。
技术介绍
现代机械加工朝着高精度、高速、干式切削、环保及低成本的方向发展，立方氮化硼涂层刀具具有高硬度、低磨损、低摩擦等优良的性能，可大大提高金属切削刀具的使用寿命，因此，立方氮化硼涂层刀具越来越多的应用于高要求的机械加工领域。立方氮化硼涂层刀具是以立方氮化硼(一般为聚晶立方氮化硼)为基体，在其表面形成硬质合金涂层；涂层是硬度较基体低的材料，目的是为了提高刀具表面的断裂韧度，减少刀具的崩刃及破损，延长刀具的使用寿命，扩大其应用范围。如现有技术中CN102328473A在其
技术介绍
中公开了通常在立方氮化硼刀具的表面沉积涂层，由此可有效提高可靠性，现有的立方氮化硼刀具可选的涂层为Ti(C，N)、TiN、(Ti，Al)N、Al2O3等。立方氮化硼涂层刀具常用的涂层工艺为气相沉积法，包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。其中，物理气相沉积是目前较为通用的沉积方法，是通过蒸发、电离或溅射等过程，产生金属粒子并与反应气体反应形成化合物沉积在工件表面。物理气相沉积具有沉积温度低、沉积速度快、涂层内部应力小、绿色环保、成本低的优点，因而得到广泛的应用。目前，立方氮化硼涂层刀具采用物理气相沉积的方法在立方氮化硼基体上沉积钛基硬质合金涂层，存在的主要问题是涂层和刀具基体之间的结合力不强，导致涂层材料脱落，导致切削时刀具整体性能差。一般认为，物理气相沉积工艺的成膜先驱物到达刀具基体时能量较低，不能寻找到最适合位置，是其结合力有限的主要原因。为了提高氮化钛、氮铝钛等钛基硬质涂层和刀具的结合力，如图1所示，往往在沉积氮化钛硬质涂层或氮铝钛硬质涂层3之前，先在刀具基体1表面形成一层纯钛结合层2。现有技术中，CN101462386B也公开了一种涂层切削刀具，包括具有涂层的立方氮化硼构成的基体，该涂层包括置于至少两个非金属功能层或者层系统之间的金属中间层，所
述金属中间层包括至少60at％的金属元素，所述金属元素从Ti及其他金属中的一种或者多种中选择，并且其中所述至少两个非金属功能层或者层系统是氮化物、氧化物、硼化物、碳化物或者它们的组合中的一种或者多种。其中，所述非金属功能层或者层系统的可以组分是(Al，Ti)N，TiN，Ti(B，N)，TiB2等中的一种或多种。上述现有技术都引入了钛结合层，但是由于该钛结合层同样采用物理气相沉积工艺制备，采用其作为结合层时，硬质涂层和刀具基体的结合力仍然有限，还不能很好的满足使用的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种立方氮化硼基体表面粗糙化处理方法，在基体表面形成微纳米绒毛表面，使基体表面粗糙化，从而提高基体与硬质涂层的结合力。本专利技术的第二个目的是提供一种采用所述表面粗糙化处理方法处理所得的改性立方氮化硼基体。本专利技术的第三个目的是提供一种采用该改性立方氮化硼基体的立方氮化硼涂层刀具。为了实现以上目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种立方氮化硼基体表面粗糙化处理方法，包括下列步骤：1)采用物理气相沉积法在立方氮化硼基体表面形成岛状不连续的玻璃相层，得涂层基体；所述玻璃相层含有对立方氮化硼基体具有刻蚀性的玻璃相成分；2)将步骤1)所得涂层基体在保护气氛或弱氧化气氛下进行退火，即得表面粗糙化的改性立方氮化硼基体；所述弱氧化气氛为保护气体与氧化性气体的混合物。所述对立方氮化硼基体具有刻蚀性的玻璃相成分为硅氧化物、锂氧化物中的至少一种。步骤1)中，所用立方氮化硼基体待涂层表面事先经过喷砂、溶剂清洗处理。将清洗后的立方氮化硼基体置于物理气相沉积系统中进行物理气相沉积。所述立方氮化硼基体为PCBN(聚晶立方氮化硼)，该PCBN可以是整体PCBN刀具的PCBN，也可以是立方氮化硼复合刀片的PCBN部分。玻璃相层中含有对立方氮化硼基体具有刻蚀性的玻璃相成分，例如，玻璃相层中含有可以蚀刻立方氮化硼晶粒的硅氧化物、可以蚀刻PCBN(聚晶立方氮化硼)晶粒间陶瓷基粘合剂的锂氧化物中的至少一种。通过该玻璃相层在后续高温退火工艺中的刻蚀反应，使PCBN刀具表面形成粗糙的绒面结构，增加刀具基体与后续硬质涂层之间的结合面积，从而提高PCBN刀具基体与硬质涂层的结合力。优选的，所述硅氧化物为SiO2；所述锂氧化物为Li2O。专利技术人在实验中发现，硅氧化物在800℃以上的高温下，能够侵蚀PCBN晶体，形成凹陷；同样的，锂氧化物在840℃以上的高温下，能够侵蚀晶粒间陶瓷基粘合剂，形成凹陷。对立方氮化硼基体具有刻蚀性的玻璃相成分包括但不限于上述两种，只要能够对PCBN刀具基体进行刻蚀形成绒面即可。关于玻璃相的刻蚀作用，现有技术CN102543252B中具有类似记载，但其主要是通过刻蚀作用来穿透氮化硅等薄膜层，而非在其表面形成绒面。关于刻蚀的机理，是由于玻璃相层在其和立方氮化硼基体结合的地方起到了降低立方氮化硼熔点的作用，使立方氮化硼表面在高温退火时发生点状的熔融蚀刻，该退火温度显著低于立方氮化硼的熔点或软化点。优选的，所述玻璃相层为一层SiO2玻璃相层，或一层Li2O玻璃相层，或者一层SiO2玻璃相层与一层Li2O玻璃相层叠加的双层玻璃相层。步骤1)所述物理气相沉积法中，沉积压力为0.6～1.2Pa。在沉积玻璃相时，应控制玻璃相的生长工艺，使其形成非连续(岛状)的玻璃相层。优选的，采用较高的沉积压力，如0.6～1.2Pa，增加其成核密度，使玻璃相优先进行岛状生长，从而形成高密度的微纳米玻璃相颗粒，该些高密度的微纳米玻璃相颗粒作为蚀刻剂，用于在后续的退火步骤中在基体表面形成高密度的微纳米绒毛粗糙表面，增加基体的比表面积。优选的，采用磁控溅射的方法沉积形成玻璃相层。一般的，SiO2玻璃相层是采用硅靶，通入氧气为反应气体，经反应磁控溅射沉积形成。Li2O玻璃相层是采用Li2O陶瓷靶，通入氩气为保护气体，经磁控溅射沉积形成。进一步优选的，采用磁控溅射的方法沉积形成玻璃相层时，溅射偏压为100V，气体流量为20sccm。步骤1)中，所述玻璃相层的厚度为在玻璃相层的形成过程中，应控制玻璃相的生长厚度，使其仅为数个或数十个原子层厚度，如不使各岛发生连通成片；同时，不使玻璃相层对PCBN刀具产生过多的腐蚀穿透，防止显著降低刀具硬度。可采用小的靶电流控制玻璃相的生长厚度，如20～50A。步骤2)中，所述退火的温度为800～950℃，保温时间为1～2h。该退火步骤的主要作用是使玻璃相层和PCBN刀具基体发生反应，利用玻璃相层的腐蚀性，在PCBN刀具基体表面形成绒面。一般的，硅氧化物在800℃以上的高温下，能够侵蚀PCBN晶体，形成凹陷；锂氧化物在840℃以上的高温下，能够侵蚀晶粒间陶瓷基粘合剂，形成凹陷。步骤2)中，弱氧化气氛中氧化性气体的体积百分比为1％～3％。玻璃相层在保护气氛或弱氧化气氛下进行退火，从而在刀具基体表面形成绒面。所述弱氧化气氛为保护气体
与氧化性气体的混合物。所述保护气氛为惰性气体，如氮气；保护气氛用于防止PCBN刀具基体在退火过程中和空气中的氧、硫等有害气体发生反应，造成质量下降。采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种立方氮化硼基体表面粗糙化处理方法，其特征在于：包括下列步骤：1)采用物理气相沉积法在立方氮化硼基体表面形成岛状不连续的玻璃相层，得涂层基体；所述玻璃相层含有对立方氮化硼基体具有刻蚀性的玻璃相成分；2)将步骤1)所得涂层基体在保护气氛或弱氧化气氛下进行退火，使玻璃相层蚀刻立方氮化硼基体，在基体表面形成绒面，即得表面粗糙化的改性立方氮化硼基体；所述弱氧化气氛为保护气体与氧化性气体的混合物。

【技术特征摘要】
1.一种立方氮化硼基体表面粗糙化处理方法，其特征在于：包括下列步骤：1)采用物理气相沉积法在立方氮化硼基体表面形成岛状不连续的玻璃相层，得涂层基体；所述玻璃相层含有对立方氮化硼基体具有刻蚀性的玻璃相成分；2)将步骤1)所得涂层基体在保护气氛或弱氧化气氛下进行退火，使玻璃相层蚀刻立方氮化硼基体，在基体表面形成绒面，即得表面粗糙化的改性立方氮化硼基体；所述弱氧化气氛为保护气体与氧化性气体的混合物。2.根据权利要求1所述的立方氮化硼基体表面粗糙化处理方法，其特征在于：步骤1)所述物理气相沉积法中，沉积压力为0.6～1.2Pa。3.根据权利要求1所述的立方氮化硼基体表面粗糙化处理方法，其特征在于：步骤1)中，所述玻璃相层的厚度为4.根据权利要求1所述的立方氮化硼基体表面粗糙化处理方法，其特征在于：步骤2)中，所述退火的温度为800～950℃，保温时...

【专利技术属性】
技术研发人员：董永芬，韩倩斐，
申请(专利权)人：富耐克超硬材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河南;41