CN113403602A - 一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的pcbn刀具及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具及其制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将预处理后的PCBN刀具在纳米金刚石粉中进行干抛至光亮，然后置于基台上，放入微波等离子体化学气相沉积***中抽真空，抽真空后通入第一反应源气体；开启微波等离子体化学气相沉积***，微波激发第一反应源气体产生等离子体球，然后通入第二反应源气体开始沉积，沉积完成后得到表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具；所述制备方法优化了微波等离子体化学气相沉积工艺，通过调控制备条件，在刀具表面均匀沉积纳米级金刚石涂层，有效提高了金刚石涂层的薄膜质量与稳定性，延长了刀具的使用寿命，具有较好的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明属于超硬材料薄膜制备技术领域，具体涉及一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具及其制备方法。
背景技术
近年来，聚晶立方氮化硼(Polycrystalline Cubic Boron Nitride，PCBN)刀具作为一种新型的超硬材料，在现代精密加工中得到了越来越多的应用，尤其是在高速切削、硬态切削、干切削等领域表现出其他刀具材料无法比拟的优越性。PCBN是硬度仅次于金刚石的人工合成物质，但与金刚石刀具不同，PCBN刀具与Fe亲和力差，特别适用于黑色金属的切削加工；与硬质合金刀具相比，PCBN刀具的耐用度是其10倍以上，且在高速切削超高强度材料和化学活性材料时切削力小，在切削过程中不产生积屑瘤；与陶瓷刀具相比，PCBN刀具具有更高的硬度、耐磨性和导热性，更优良的化学稳定性、热稳定性及加工红硬性，并且在特定的切削条件下可以实现以车代磨，使被加工工件获得较高的加工精度和表面质量的同时也大大提高生产效率。但由于PCBN刀具的成本较高，如果不能保证其在加工过程中获得较长的寿命，就会使生产成本提高，同时刀具的严重磨损会使工件报废而需要重新加工，严重影响了生产效率和经济效益。因此，找到提高刀具的耐磨性和使用寿命的方法具有重要的实际意义。
在PCBN刀具表面覆盖一层金刚石薄膜是延长其使用寿命的有效手段。现有的化学气相沉积金刚石薄膜涂层技术以热丝化学气相沉积(Hot Filament Chemical VaporDeposition，HFCVD)法为主，但是HFCVD法制备工艺复杂，制备出的金刚石薄膜中存在灯丝的污染，在提高薄膜质量方面有较大的难度。此外，由于HFCVD法中灯丝的温度通常要大于2000℃，导致灯丝材料向反应腔中挥发，从而向薄膜中引入了杂质，降低了金刚石膜的纯度，导致重复性和成品率较低。此外，基体材质主要集中在金刚石刀具、硬质合金刀具和陶瓷刀具上，且涂层刀具表面的金刚石薄膜大多为微米级。然而，微米金刚石薄膜的晶粒粗大、不均匀，涂层表面较为粗糙，难以进行表面抛光处理，同时会导致刀具与工件接触时产生较大的磨损和较高的切削力，从而严重影响涂层刀具的使用寿命。
CN105861995A公开了一种ZrTiN-MoS2/Ti/Zr叠层涂层刀具及其制备工艺，该刀具基体材料为高速钢、硬质合金、立方氮化硼或金刚石，刀具表面为MoS2/Ti/Zr润滑涂层，且由基体到涂层表面依次为Ti过渡层、Ti/Zr过渡层、ZrTiN硬质涂层和MoS2/Ti/Zr润滑涂层交替的叠层复合结构；该刀具涂层较多，且其采用电弧镀与中频磁控溅射复合镀膜方法制备得到，工艺流程较为复杂，成本较高。
CN106637143A公开了一种MPCVD金刚石薄膜的制备方法，该方法采用惰性气体Ar作为沉积过程中的催化气体，以起到细化金刚石薄膜的晶粒，提高金刚石薄膜的硬度，改善金刚石薄膜质量的作用；但惰性气体Ar会造成氢气浓度的降低，导致没有足够多的活性氢原子对其刻蚀，造成非金刚石相成分的增加，影响金刚石薄膜的质量。
综上所述，如何提供一种工艺流程简单，且能在PCBN刀具表面均匀沉积一定厚度的、连续且致密的薄膜涂层，保证其与基体的结合力和支撑力不发生变化，提高切削性能，成为当前亟需解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具及其制备方法，所述制备方法优化了微波等离子体化学气相沉积工艺，通过调控制备条件，在PCBN刀具表面沉积纳米级金刚石涂层，有效提高金刚石涂层的薄膜质量与稳定性，延长了PCBN刀具的使用寿命，具有较好的工业化应用前景。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将预处理后的PCBN刀具在纳米金刚石粉中进行干抛至光亮，然后置于基台上，放入微波等离子体化学气相沉积***中抽真空，抽真空后通入第一反应源气体；
(2)开启微波等离子体化学气相沉积***，微波激发第一反应源气体产生等离子体球，然后通入第二反应源气体开始沉积，沉积完成后得到表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具。
本发明中，所述制备方法通过采用并优化微波等离子体化学气相沉积(MicrowavePlasma Chemical Vapor Deposition，MPCVD)工艺，无需在PCBN刀具基体上制备过渡层或进行表面改性，即可沉积得到连续致密、附着强度高、结合力大、涂层厚度均匀、表面平整光滑的纳米级金刚石薄膜涂层，可有效减少PCBN刀具与工件接触时产生的磨损和切削力，提高涂层刀具的使用寿命；与常规的热丝化学气相沉积(Hot Filament Chemical VaporDeposition，HFCVD)工艺相比，简化了工艺流程，避免了由于拉丝不均导致的薄膜生长稳定性问题，同时避免了制备过程中热丝断裂污染产品表面的问题，极大地提高了产品的合格率。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述预处理包括超声清洗和干燥。
优选地，所述超声清洗采用的清洗液为丙酮。
优选地，所述超声清洗的时间为8～12min，例如8min、9min、10min、11min或12min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述干燥在恒温干燥箱中进行。
优选地，所述干燥的时间不少于4min，例如4min、5min、6min、7min、8min、或9min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述干燥的温度为45～55℃，例如45℃、46℃、47℃、48℃、49℃、50℃、51℃、52℃、53℃、54℃或55℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述刀具预处理方法综合优化了表面净化及植晶工艺，先通过选用适宜的试剂，有效清除刀具表面的吸附物和污染物，改善表面微观质量；再采用纳米金刚石粉进行干抛至光亮，增加刀具表面的活性和高能量点。与在含金刚石粉悬浮液超声处理相比，本发明的植晶工艺可获得更多的划痕、位错和晶界等缺陷，这些缺陷为金刚石形核提供了形核功，并且在刀具表面缺陷内残留的金刚石粉碎屑为MPCVD沉积金刚石提供了形核点，提高了形核密度。同时，这种形核生长方式使得金刚石薄膜与刀具之间以“锚链效应”相作用，从而提高了薄膜与基体的附着力。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述纳米金刚石粉的粒径为10～500nm，例如10nm、50nm、100nm、200nm、300nm、400nm或500nm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述干抛的时间为为10～25min，例如10min、12min、15min、18min、20min、22min或25min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，步骤(1)所述基台的高度为40～55mm，例如40mm、42mm、45mm、48mm、50mm、52mm、或55mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，基台的高度对最终成膜的质量具有一定的影响。若基台高度过高，会使接触到等离子体中心位置的样品所经受的电离度加大；若基台高度过低，则会使等离子体球与样品间的距离加大，导致等离子体辉光无法完全覆盖样品；两者均会导致涂层的表面均匀性和薄膜稳定性下降。
本发明中，步骤(1)所述抽真空抽至极限真空，避免由于MPCVD***含有杂气导致纳米金刚石涂层的晶体织构品质较差，薄膜中杂质含量较多。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述第一反应源气体为H2。
优选地，步骤(1)所述第二反应源气体为CH4。
优选地，所述CH4和H2气体流量比为(0.5～8):50，例如1:100、1:50、1:25、3:50、2:25、1:10、3:25、7:50或4:25等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述CH4和H2气体流量的单位均为“sccm”。
本发明中，沉积过程中反应源气体的配比至关重要。若碳源(CH4)含量过多时，势必会降低H2浓度，大量吸附到刀具表面的碳氢基团，由于没有足够多的活性氢原子对其刻蚀，造成非金刚石相成分的增加，进而导致薄膜中金刚石纯度的降低；此外，碳源浓度过高会导致金刚石晶粒形核和生长速率过快，薄膜厚度不易控制。若H2含量过多时，刀具表面没有足够的形成金刚石晶粒的碳氢基团，导致薄膜涂层的沉积速率下降；另外，较少的碳氢基团会减少二次形核几率，进而无法获得较小尺寸的金刚石晶粒。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述产生等离子体球的过程中，所述微波的功率为500～700W，例如500W、550W、600W、650W或700W等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述产生等离子体球的过程中工作腔的气压为8～12Torr，例如8Torr、9Torr、10Torr、11Torr或12Torr等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述沉积过程中，所述微波的功率调整为1000～2000W，例如1000W、1100W、1200W、1300W、1400W、1500W、1600W、1700W、1800W、1900W或2000W等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述沉积过程中，工作腔的气压为20～60Torr，例如20Torr、30Torr、40Torr、50Torr或60Torr等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述制备方法通过协同调控微波功率以及工作腔气压进一步控制产生的等离子体球的体积和密度，从而提高刀具基体表面温度场的均匀性以及薄膜的沉积速率和生长质量。若沉积时微波功率过大，等离子体的强度会相应地增大，使得刀具表面被离子轰击得更加剧烈，导致刀具基体温度升高；若沉积时微波功率过小，会使等离子体球的体积减小，造成等离子体密度降低；两者均无法获得表面均匀的高质量纳米金刚石膜。若沉积时的工作腔气压过大，分子的平均自由程减小，氢原子和含碳基团的平均自由程变短，与刀具基体碰撞时不易产生二次成核，导致金刚石颗粒容易长大；若沉积时的工作腔气压过小，反应室中自由基团的数量会下降，一定程度上减少了可生成金刚石的碳元素，从而降低了金刚石的生长速率，同时也伴随着薄膜中较多的石墨和无定形碳出现以及涂层与刀具基体间附着力的下降，最终影响金刚石涂层刀具的切削性能。
优选地，步骤(2)所述沉积过程中，基台的温度为600～900℃，例如600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃或900℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述沉积的时间为6～12h，例如6h、7h、8h、9h、10h、11h或12h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述制备方法通过二次成核来有效抑制晶粒长大，从而提高金刚石涂层的薄膜质量与稳定性。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述纳米金刚石薄膜涂层的厚度为5～15μm，例如5μm、6μm、7μm、8μm、10μm、11μm、12μm、13μm、14μm或15μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将PCBN刀具先采用丙酮超声清洗8～12min，然后在45～55℃的条件下干燥不少于4min，接着在粒径为10～500nm的金刚石粉中干抛10～25min，然后置于高度为40～55mm的基台上，放入微波等离子体化学气相沉积***中抽真空至极限真空，抽真空后通入第一反应源气体；
(2)开启微波等离子体化学气相沉积***，设置微波功率为500～700W，工作腔的气压为8～12Torr，激发第一反应源气体产生等离子体球，然后通入第二反应源气体开始沉积，所述第二反应源气体和第一反应源气体的气体流量比为(0.5～8):50，沉积过程中调整微波功率为1000～2000W，工作腔的气压为20～60Torr，基台的温度为600～900℃，沉积6～12h，沉积完成后得到表面具有5～15μm纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具。
另一方面，本发明提供了一种PCBN刀具，所述PCBN刀具表面具有如上述制备方法制备得到的纳米金刚石薄膜涂层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述制备方法通过采用并优化MPCVD工艺，无需预先在PCBN刀具基体上制备过渡层或表面改性，即可直接沉积得到连续致密、附着强度高、结合力大、涂层厚度均匀、表面平整光滑的纳米级金刚石薄膜涂层，解决了现有HFCVD工艺制备金刚石涂层技术中存在的制备过程复杂，涂层表面的晶粒为微米级，薄膜与刀具之间的结合力较差，后期抛光难等问题；并通过进一步控制MPCVD工艺中的基台高度、微波功率、工作腔气压以及气体配比，进而控制晶粒尺寸以及薄膜均匀性，减少刀具与工件接触时产生的磨损和切削力，进一步提升刀具的使用寿命；
(2)本发明所述制备方法工艺流程简单，MPCVD无内部电极，可避免电极放电，轴对称等离子体球不与真空器壁接触从而减少了污染，此外还具有电离度高、运行气压范围宽、能量转换效率高、薄膜涂层质量好等优点，有利于实现工业化应用。
附图说明
图1是本发明实施例1制备表面具有纳米金刚石薄膜涂层的刀具的工艺流程图。
图2是本发明实施例1提供的刀具表面纳米金刚石薄膜涂层的表面形貌图。
图3是本发明实施例1提供的刀具表面纳米金刚石薄膜涂层的晶粒形貌图。
图4是本发明实施例1提供的刀具表面纳米金刚石薄膜涂层的截面形貌图。
图5是本发明实施例1提供的刀具表面纳米金刚石薄膜涂层的XRD图谱。
图6是本发明实施例1提供的刀具表面纳米金刚石薄膜涂层的拉曼光谱图。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的刀具的制备方法，所述制备方法的工艺流程图如图1所示。
所述制备方法包括以下步骤：
(1)将PCBN刀具先采用丙酮超声清洗10min，然后在50℃的条件下干燥4min，接着在粒径为100nm的金刚石粉中干抛15min至光亮，然后置于高度为40mm的基台上，放入MPCVD***中抽真空至极限真空，抽真空后通入H2；
(2)开启MPCVD***，设置微波功率为600W，工作腔的气压为10Torr，激发H2产生等离子体球，然后通入CH4开始沉积，所述CH4和H2的气体流量比为1:50，沉积过程中调整微波功率为1500W，工作腔的气压为40Torr，基台的温度为700℃，沉积10h，沉积完成后得到表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具。
对PCBN刀具表面的纳米金刚石薄膜涂层进行表征，其表面形貌图如图2所示，晶粒形貌图如图3所示，截面形貌图如图4所示，XRD图谱如图5所示，拉曼光谱图如图6所示。
由图2可知，纳米级金刚石涂层已均匀沉积在PCBN刀具表面，所涂覆的金刚石薄膜连续、结构致密、表面光洁度高，晶粒之间有明显的晶界，并且在晶界处可以观察到明显的二次成核现象，表明制得的纳米金刚石薄膜具有较高的质量。
由图3可知，薄膜涂层中的金刚石晶粒结晶性好，呈团簇状集聚，是典型的纳米级金刚石结构，即所谓的菜花状形貌，并且金刚石晶粒大小基本一致，平均尺寸在50nm以下。
由图4可知，纳米金刚石薄膜并未像常规薄膜那样呈柱状生长，而是为晶粒堆积的生长模式。这是由于在纳米金刚石膜生长的过程中，薄膜表面不断出现二次成核现象，抑制晶粒的长大，细化了晶粒，随沉积时间的延长，金刚石晶粒在薄膜表面不断堆积造成的。此外，从截面形貌还可以观察到纳米金刚石薄膜表面是光滑平整的，这与图2得到的结果是一致的。
由图5可清晰看到在2θ＝43.92°和2θ＝75.32°处有两个明显的衍射峰，分别对应于金刚石晶体的(111)晶面和(220)晶面，表明纳米金刚石薄膜具有较高的结晶度和晶粒取向密度。
由图6可知，在1332cm-1处出现了一个较宽的拉曼散射峰(D峰)，说明薄膜中含有金刚石相。该峰较宽的原因是由于其附近的D峰与金刚石特征峰相互叠加造成的。在1579cm-1处的G峰对应于石墨和无定形碳结构。在1150cm-1附近出现的纳米金刚石特征峰显示薄膜中金刚石成分增多，晶粒细化，薄膜的纯度较高。此外，拉曼光谱中G峰的漂移量较小，表明薄膜涂层内部的残余应力较小，纳米金刚石薄膜的质量较高。
实施例2：
本实施例提供了一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将PCBN刀具先采用丙酮超声清洗8min，然后在45℃的条件下干燥5min，接着在粒径为10nm的金刚石粉中干抛20min至光亮，然后置于高度为55mm的基台上，放入MPCVD***中抽真空至极限真空，抽真空后通入H2；
(2)开启MPCVD***，设置微波功率为500W，工作腔的气压为8Torr，激发H2产生等离子体球，然后通入CH4开始沉积，所述CH4和H2的气体流量比为4:25，沉积过程中调整微波功率为1000W，工作腔的气压为20Torr，基台的温度为600℃，沉积12h，沉积完成后得到表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具。
实施例3：
本实施例提供了一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将PCBN刀具先采用丙酮超声清洗12min，然后在45℃的条件下干燥4min，接着在粒径为500nm的金刚石粉中干抛18min至光亮，然后置于高度为45mm的基台上，放入MPCVD***中抽真空至极限真空，抽真空后通入H2；
(2)开启MPCVD***，设置微波功率为700W，工作腔的气压为12Torr，激发H2产生等离子体球，然后通入CH4开始沉积，所述CH4和H2的气体流量比为1:100，沉积过程中调整微波功率为2000W，工作腔的气压为60Torr，基台的温度为900℃，沉积6h，沉积完成后得到表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具。
实施例4：
本实施例提供了一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具的制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：步骤(1)中基台的高度为35mm。
实施例5：
本实施例提供了一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具的制备方法，所述制备方法参照实施例2中的制备方法，区别仅在于：步骤(1)中基台的高度为60mm。
实施例6：
本实施例提供了一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具的制备方法，所述制备方法参照实施例2中的制备方法，区别仅在于：步骤(2)沉积过程中调整微波功率为800W。
实施例7：
本实施例提供了一种表面具有深亚微米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具的制备方法，所述制备方法参照实施例3中的制备方法，区别仅在于：步骤(2)沉积过程中调整微波功率为2200W。
实施例8：
本实施例提供了一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具的制备方法，所述制备方法参照实施例2中的制备方法，区别仅在于：步骤(2)沉积过程中工作腔的气压为10Torr。
实施例9：
本实施例提供了一种表面具有深亚微米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具的制备方法，所述制备方法参照实施例3中的制备方法，区别仅在于：步骤(2)沉积过程中工作腔的气压为70Torr。
对比例1：
本对比例提供了一种表面具有亚微米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具的制备方法，所述制备方法参照实施例1中的制备方法，区别仅在于：步骤(1)中所述PCBN刀具不进行纳米金刚石粉干抛处理，而是采用含金刚石粉酒精悬浮液进行超声处理。
观察实施例1-9和对比例1中得到的具有金刚石薄膜涂层的刀具表面质量、金刚石晶粒尺寸、薄膜厚度和均匀性等情况，结果如表1所示。
表1
实施例1-3采用微波等离子体化学气相沉积技术，通过优化PCBN刀具预处理及植晶工艺，并进一步控制沉积过程中的反应条件，使刀具表面获得了连续致密、涂层厚度均匀、表面平整光滑，不易引起应力集中的纳米金刚石薄膜涂层，有效减少了刀具与工件接触时产生的磨损和切削力，提高了涂层刀具的使用寿命；实施例4-5在制备过程中分别降低和升高了基台的高度，导致刀具基体与等离子体球的间距发生了显著变化，使得到的涂层光洁度和薄膜稳定性下降，特别是基台高度过低时，易导致等离子体辉光无法完全覆盖样品，严重降低薄膜质量；实施例6在制备过程中降低了沉积时的微波功率，导致等离子体密度下降，使得到的薄膜厚度和均匀性下降，涂层表面出现裂纹；实施例7在制备过程中提高了沉积时的微波功率，导致基体温度升高、活性基团能量降低，从而降低了二次形核几率，使得到的金刚石薄膜的晶粒尺寸增大至亚微米级，涂层表面粗糙度明显增加；实施例8在制备过程中降低了工作腔气压，降低了金刚石的生长速率，影响金刚石涂层刀具的切削性能；实施例9在制备过程中增大了工作腔气压，氢原子和含碳基团的平均自由程变短，与刀具基体碰撞时不易产生二次成核，导致金刚石颗粒容易长大。
而对比例1采用常规的植晶工艺，使刀具基体表面的微缺陷和形核中心较少，导致初期及二次形核速率均下降，得到的金刚石薄膜涂层质量较差。
综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述制备方法通过采用并优化MPCVD工艺，无需在PCBN刀具基体上预先制备过渡层或表面改性，即可沉积得到连续致密、附着强度高、结合力大、涂层厚度均匀、表面平整光滑的纳米级金刚石薄膜涂层，解决了现有HFCVD工艺制备金刚石涂层技术中存在的制备过程复杂，涂层表面的晶粒为微米级，薄膜与刀具之间的结合力较差，后期抛光难等问题；并通过进一步控制MPCVD工艺中的基台高度、微波功率、工作腔气压以及气体配比，进而控制晶粒尺寸以及薄膜均匀性，减少刀具与工件接触时产生的磨损和切削力，进一步提升PCBN刀具的使用寿命；所述制备方法工艺流程简单，MPCVD无内部电极，可避免电极放电，轴对称等离子体球不与真空器壁接触从而减少了污染，此外还具有电离度高、运行气压范围宽、能量转换效率高、薄膜涂层质量好等优点，有利于实现工业化应用。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的产品和详细方法，但本发明并不局限于上述产品和详细方法，即不意味着本发明必须依赖上产品和述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将预处理后的PCBN刀具在纳米金刚石粉中进行干抛至光亮，然后置于基台上，放入微波等离子体化学气相沉积***中抽真空，抽真空后通入第一反应源气体；
(2)开启微波等离子体化学气相沉积***，微波激发第一反应源气体产生等离子体球，然后通入第二反应源气体开始沉积，沉积完成后得到表面具有纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述预处理包括超声清洗和干燥；
优选地，所述超声清洗采用的清洗液为丙酮；
优选地，所述超声清洗的时间为8～12min；
优选地，所述干燥在恒温干燥箱中进行；
优选地，所述干燥的时间不少于4min；
优选地，所述干燥的温度为45～55℃。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述纳米金刚石粉的粒径为10～500nm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述干抛的时间为10～25min。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述第一反应源气体为H2；
优选地，步骤(1)所述第二反应源气体为CH4；
优选地，所述CH4和H2的气体流量比为(0.5～8):50。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述产生等离子体球的过程中，所述微波的功率为500～700W；
优选地，步骤(2)所述产生等离子体球的过程中工作腔的气压为8～12Torr。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述沉积过程中，所述微波的功率调整为1000～2000W；
优选地，步骤(2)所述沉积过程中，工作腔的气压为20～60Torr；
优选地，步骤(2)所述沉积过程中，基台的温度为600～900℃；
优选地，步骤(2)所述沉积的时间为6～12h。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述纳米金刚石薄膜涂层的厚度为5～15μm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将PCBN刀具先采用丙酮超声清洗8～12min，然后在45～55℃的条件下干燥不少于4min，接着在粒径为10～500nm的金刚石粉中干抛10～25min，然后置于高度为40～55mm的基台上，放入微波等离子体化学气相沉积***中抽真空至极限真空，抽真空后通入第一反应源气体；
(2)开启微波等离子体化学气相沉积***，设置微波功率为500～700W，工作腔的气压为8～12Torr，激发第一反应源气体产生等离子体球，然后通入第二反应源气体开始沉积，所述第二反应源气体和第一反应源气体的气体流量比为(0.5～8):50，沉积过程中调整微波功率为1000～2000W，工作腔的气压为20～60Torr，基台的温度为600～900℃，沉积6～12h，沉积完成后得到表面具有5～15μm纳米金刚石薄膜涂层的PCBN刀具。
10.一种PCBN刀具，其特征在于，所述PCBN刀具表面具有如权利要求1-9任一项所述制备方法制备得到的纳米金刚石薄膜涂层。
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|---|---|---|---|---|
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5370912A (en) * | 1988-10-31 | 1994-12-06 | Norton Company | Diamond film deposition with a microwave plasma |
| CN103911596A (zh) * | 2014-02-27 | 2014-07-09 | 武汉工程大学 | 一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法 |
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-
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Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5370912A (en) * | 1988-10-31 | 1994-12-06 | Norton Company | Diamond film deposition with a microwave plasma |
| CN103911596A (zh) * | 2014-02-27 | 2014-07-09 | 武汉工程大学 | 一种制备金刚石膜的装置及使用该装置制备金刚石膜的方法 |
| CN111378954A (zh) * | 2018-12-27 | 2020-07-07 | 上海征世科技有限公司 | 一种制备金刚石膜的装置及方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 刘洋: ""MPCVD合成聚晶金刚石厚膜生长工艺研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库(基础科学辑)》 * |
| 熊礼威 等: ""甲烷体积分数对纳米金刚石薄膜形貌的影响"", 《表面技术》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114807907A (zh) * | 2022-05-05 | 2022-07-29 | 南方科技大学 | 一种mpcvd载具以及在刀具表面沉积金刚石涂层的方法 |
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