專利名稱：一種機床刀具用單晶硅片表面涂層Si₃N₄復(fù)合薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機床刀具用單晶硅片表面涂層Si3N4復(fù)合薄膜的方法
背景技術(shù)：
機床刀具在切削過程中表現(xiàn)出切削溫度高、工件硬化嚴重及工件表面塑性變形抗力大等特點，使得刀具更易損壞。因此要求切削加工的刀具材料不僅具有高的強度和韌性，尤其具有
高的導(dǎo)熱性能和抗熱震性能。目前國內(nèi)外用于合金刀具主要選用的材料有硬質(zhì)合金、陶瓷
刀具和CBN (氮化硼)刀具等。硬質(zhì)合金刀具硬度低，在高溫下化學(xué)穩(wěn)定性差，高溫強度和硬度低。因此，為了避免過高的切削溫度，只能采用很低的切削速度，加工效率低；陶瓷刀具具有硬度高、高溫下化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但導(dǎo)熱系數(shù)低、韌性差，高速切削加工時，由于溫度高且韌性差容易導(dǎo)致材料斷裂；CBN刀具因價格昂貴而應(yīng)用較少。相比之下，陶瓷材料由于各種增韌補強技術(shù)的發(fā)展，使之更有可能成為未來高速切削刀具，是一類很有發(fā)展前景的新型切削材料。因此，深入開展針對陶瓷材料切削的高強度、耐高溫、高韌性的新型刀具材料，形成可有效提高加工效率的新工藝，并解決一批制約航空航天、國防軍工、能源、化工、汽車等主要應(yīng)用領(lǐng)域典型零件的加工技術(shù)難題，對提高我國相關(guān)行業(yè)關(guān)鍵零件的制造水平和推動整個機械工業(yè)的技術(shù)進步具有十分重要的意義。
納米材料是近幾年被十分重視的新型材料，其所具有的許多優(yōu)異性能，可應(yīng)用于許多領(lǐng)
域。Si美具有超強的力學(xué)性能、很好的吸附性能，因而在材料領(lǐng)域引起了極大重視。但S:bN4
在絕大部分溶劑中不溶，濕潤性能差，很難與基底形成有效粘結(jié)。為了提高S:bN4的分散性并
增加其與基底界面的結(jié)合力，必須通過對氮化鈦的表面改性及基底表面組裝活性基團等方法，來提高氮化鈦與基底表面之間的界面結(jié)合程度，獲得摩擦學(xué)性能良好的復(fù)合膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開一種機床刀具用單晶硅片表面涂層Si3N4復(fù)合薄膜的方法，其目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)采用硬質(zhì)合金刀具在高溫下化學(xué)穩(wěn)定性差，高溫強度和硬度低；陶瓷刀具雖然硬度高、高溫下化學(xué)穩(wěn)定性好，但導(dǎo)熱系數(shù)低，高速切削時加工溫度高、韌性差易斷裂；CBN
3刀具價格昂貴等弊端。本發(fā)明提供一種在單晶硅片表面涂層Si3N4復(fù)合薄胰的方法用于制備機床刀具，工藝簡單，自組裝成的復(fù)合薄膜具有良好的減摩性能，提高刀具性能和使用壽命。為實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明采用單晶硅片作為基底材料，在其表面采用自組裝方法制備磺酸基硅垸薄膜，再用N，N-二甲基甲酰胺(DMF)分散液在硅垸表面制備Si.美的復(fù)合薄膜。
一種機床刀具用單晶硅片表面涂層Si;^復(fù)合薄膜的方法，其特征在于包括如下步驟
A) 先將單晶硅片浸泡在王水中加熱5 6小時，在室溫中自然冷卻后取出，沖洗、干燥；
B) 將A)干燥后的單晶硅片浸于體積比為H2S04 : HA = 70 : 30的溶液中，于室溫下1小時，然后用去離子水超聲清洗后放在防塵裝置內(nèi)的烘箱中再干燥；
C) 再將B)處理后的單晶硅片浸入巰基硅烷濃度為0. 1 1. 0mmol/L的苯溶液中，靜置6 8小時取出，沖洗后用氮氣吹干；
D) 再將C)處理后的單晶硅片置于質(zhì)量濃度為30% 60%的硝酸中；在50 80'C下反應(yīng)2小時，取出用去離子水沖洗，得到表面附有磺酸基硅垸薄膜的單晶硅片；
E) 將Si^在室溫下按0. 1 0. 2mg/ml放入N， N-二甲基甲酰胺分散劑，40W超聲波分散1 3
小時，得到穩(wěn)定的懸浮液；
F) 將D)得到的表面組裝有磺酸基硅垸薄膜的單晶硅片浸入到E)制備好的Si3N4懸浮液中，在20 60。C靜置2 24小時，取出用大量去離子水沖洗，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有Si美復(fù)合薄膜的單晶硅片。
本發(fā)明工藝簡單，通過對氮化鈦的表面改性及基底表面組裝活性基團等方法，提高了Si3N4
的分散性并增加其與基底界面間的結(jié)合力，同時自組裝成的復(fù)合薄膜具有良好的減摩性能，大大提高了刀具的性能和使用壽命。
具體實施例方式
以下結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。
實施例l:
對單晶硅片進行預(yù)處理，將單晶硅片浸泡在王水中，使用電爐加熱王水，加熱時間為5個小時，在室溫中自然冷卻，將單晶硅片取出，用去離子氷反復(fù)沖洗，放入干燥皿中干燥。干燥后浸于Pirahan溶液(H2 S04 : H202 = 70 : 3 0 ， V / V)中，于室溫下處理1小時，用去離子水超聲清洗后放在防塵裝置內(nèi)的烘箱中干燥，然后將處理后的單晶硅片浸入配制好的巰基硅烷溶液中，靜置6小時，巰基硅烷溶液的組分摩爾濃度為3 —巰基丙基甲基二甲氧基硅垸0.5mmol/L，溶劑為苯溶液；取出后分別用氯仿、丙酮、去離子水沖洗去除表面物理吸附的有機物后，用氮氣吹干置于質(zhì)量濃度為30%的硝酸溶液中在5(TC下反應(yīng)2小時，取出用大量去離子水沖洗，這樣就把端巰基原位氧化成磺酸基，得到表面附有磺酸基硅烷薄膜的單品硅片。
在室溫下將SUN4按0. lmg/ml放入N， N-二甲基甲酰胺(DMF)分散劑，超聲波分散(40W)l小時，得到穩(wěn)定的懸浮液。
將表面組裝有磺酸基硅垸薄膜的單晶硅片浸入制備好的Si3N4懸浮液中，在2(TC下靜置2
小時，取出用大量去離子水沖洗，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有Si美復(fù)合薄膜的單晶硅片。
采用JEM-2010掃描電子顯微鏡(SEM)和PHI — 5702型X—光電子能譜儀(XPS)來表征得到的復(fù)合膜的表面形貌和化學(xué)成分。采用點接觸純滑動微摩擦性能測量儀測量復(fù)合膜摩擦系數(shù)。
XPS圖譜表明在單晶硅片表面自組裝成的硅烷薄膜中有巰基基團；原位氧化后，有高價態(tài)硫元素，說明表面的硅烷薄膜上的巰基基團成功的原位氧化成了磺酸基基團；SEM圖片則清晰地看到Si美沉積在單晶硅片的表面，形成了 Si美復(fù)合薄膜。在點接觸純滑動微摩擦性能測量儀上分別測量干凈單晶硅片和單晶硅片表面自組裝Si3N4復(fù)合膜的摩擦系數(shù)。在單晶硅片表面制備的Si3隊復(fù)合薄膜可以將摩擦系數(shù)從無膜時的0.8降低到0. 15左右，具有十分明顯的
減摩作用。實施例2:
對單晶硅片進行預(yù)處理，將單晶硅片浸泡在王水中，使用電爐加熱王水，加熱時間為6個小時，在室溫中自然冷卻，將單晶硅片取出，用去離子水反復(fù)沖洗，放入干燥皿中千燥。干燥后浸于Pirahan溶液(H2 S04 : H202 = 70 : 3 0 , V / V)中，于室溫下處理1小時，用去離子水超聲清洗后放在防塵裝置內(nèi)的烘箱中干燥，然后將處理后的單晶硅片浸入配制好的巰基硅垸溶液中，靜置8小時，巰基硅垸溶液的組分摩爾濃度為3—巰基丙基甲基二甲氧基硅烷0. lmmol/L，溶劑為苯溶液；取出后分別用氯仿、丙酮、去離子水沖洗去除表面物理吸附的有機物后，用氮氣吹千置于質(zhì)量濃度為40%的硝酸溶液中在65。C下反應(yīng)2小時，取出用大量去離子水沖洗，這樣就把端巰基原位氧化成磺酸基，得到表面附有磺酸基硅垸薄膜的單晶硅片。
在室溫下將Si美按0. 15mg/ml放入N， N-二甲基甲酰胺(DMF)分散齊lj，超聲波分散(40W)2小時,得到穩(wěn)定的懸浮液。
將表面組裝有磺酸基硅垸薄膜的單晶硅片浸入制備好的Si:^懸浮液中，在40'C下靜置8小時，取出用大量去離子水沖洗，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有Si3N4復(fù)合薄膜的單晶硅片。
采用實施例1中的表征手段對薄膜質(zhì)量進行評價。XPS圖譜表明在單晶硅片表面自組裝成的復(fù)合薄膜中不同的薄膜層中含有磺酸基基團以及鈰元素，且在硅烷薄膜組裝后觀察不到二氧化硅的指標(biāo)；SEM圖片則清晰地看到Si3N4沉積在單晶硅片的表面，形成了 Si爲(wèi)復(fù)合薄膜。在單晶硅片表面制備的Si3N4復(fù)合薄膜可以將摩擦系數(shù)從無膜時的0. 8降低到0. 12左右，
具有十分明顯的減摩作用。實施例3:
對單晶硅片進行預(yù)處理，將單晶硅片浸泡在王水中，使用電爐加熱王水，加熱時間為5個小時，在室溫中自然冷卻，將單晶硅片取出，用去離子水反復(fù)沖洗，放入干燥皿中干燥。干燥后浸于Pirahan溶液(H2 S(X : H202 = 70 : 3 0 , V / V)中，于室溫下處理1小時，用去離子水超聲清洗后放在防塵裝置內(nèi)的烘箱中干燥，然后將處理后的單晶硅片浸入配制好的巰基硅烷溶液中，靜置7小時，巰基硅烷溶液的組分摩爾濃度為3 —巰基丙基三甲氧基硅烷1.0mmol/L，溶劑為苯溶液；取出后分別用丙酮、氯仿、去離子水沖洗去除表面物理吸附的有機物后，用氮氣吹干后置于質(zhì)量濃度為60X的硝酸溶液中在8(TC下反應(yīng)2小時，取出用大量去離子水沖洗，這樣就把端巰基原位氧化成磺酸基，得到表面附有磺酸基硅垸薄膜的單晶硅片。
在室溫下將Si孔按0. 2mg/ml放入N, N-二甲基甲酰胺(DMF)分散劑，超聲波分散(40W)3小時，得到穩(wěn)定的懸浮液。
將表面組裝有磺酸基硅垸薄膜的單晶硅片浸入制備好的Si3N4懸浮液中，在6CTC下靜置24小時，取出用大量去離子水沖洗，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有Si晶復(fù)合薄膜的單晶硅片。
采用實施例1中的表征手段對薄膜質(zhì)量進行評價。XPS圖譜表明在基片表面上成功地組裝上了巰基硅垸薄膜，并且?guī)€基基團被原位氧化成磺酸基；SEM圖片則清晰地看到Si3N4沉積
6在單晶硅片的細，形成了g復(fù)合薄膜。在單晶硅片細制備的si美復(fù)合薄膜可以將摩
擦系數(shù)從無膜時的0. 8降低到0. 1左右，具有十分明顯的減摩作用°
權(quán)利要求
1、一種機床刀具用單晶硅片表面涂層Si3N4復(fù)合薄膜的方法，其特征在于包括如下步驟A)先將單晶硅片浸泡在王水中加熱5～6小時，在室溫中自然冷卻后取出，沖洗、干燥；B)將A)干燥后的單晶硅片浸于體積比為H2SO4∶H2O2＝70∶30的溶液中，于室溫下1小時，然后用去離子水超聲清洗后放在防塵裝置內(nèi)的烘箱中再干燥；C)再將B)處理后的單晶硅片浸入巰基硅烷濃度為0.1～1.0mmol/L的苯溶液中，靜置6～8小時取出，沖洗后用氮氣吹干；D)再將C)處理后的單晶硅片置于質(zhì)量濃度為30％～60％的硝酸中；在50～80℃下反應(yīng)2小時，取出用去離子水沖洗，得到表面附有磺酸基硅烷薄膜的單晶硅片；E)將Si3N4在室溫下按0.1～0.2mg/ml放入N，N-二甲基甲酰胺分散劑，40W超聲波分散1～3小時，得到穩(wěn)定的懸浮液；F)將D)得到的表面組裝有磺酸基硅烷薄膜的單晶硅片浸入到E)制備好的Si3N4懸浮液中，在20～60℃靜置2～24小時，取出用大量去離子水沖洗，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有Si3N4復(fù)合薄膜的單晶硅片。
全文摘要
一種機床刀具用單晶硅片表面涂層Si₃N₄復(fù)合薄膜的方法，將表面經(jīng)過處理的單晶基片作為基底材料，在其表面采用自組裝法制備磺酸基硅烷，然后將基片放入Si₃N₄分散夜中，在其表面制備Si₃N₄復(fù)合薄膜。先將基片浸泡在王水中加熱5～6小時，取出用去離子水清洗，置入羥基化溶液，室溫處理1小時，清洗干燥后浸入配制好的巰基硅烷溶液，靜置6～8小時取出，沖洗后用氮氣吹干置于硝酸中，把端巰基原位氧化成磺酸基，再將基片置入Si₃N₄的懸浮液，在20～60℃靜置2～24小時取出，沖洗后用氮氣吹干，這樣就得到表面沉積有Si₃N₄的復(fù)合薄膜。本發(fā)明可以將摩擦系數(shù)從無膜時的0.8降低到0.1，具有十分明顯的減摩作用。
文檔編號C23C28/00GK101509134SQ20091004838
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者健 李 申請人:上海第二工業(yè)大學(xué)