硬质合金基体复杂形状刀具金刚石涂层制备方法

摘要

一种硬质合金基体复杂形状刀具金刚石涂层制备方法。该方法针对复杂形状硬质合金刀具基体，采用微波化学复合预处理技术对刀具基体进行脱钴、脱碳及粗化处理，以提高涂层早期形核率和改善金刚石涂层的附着强度。再采用电子增强热丝CVD纳米金刚石复合涂层技术，通过改变工艺条件，在已经生长的结晶性好的金刚石涂层上再原位生长一层由微晶聚集而成的球状纳米级金刚石涂层，在获得高附着强度的同时，有效地降低了涂层表面粗糙度，从而极大地提高了涂层刀具的切削性能。该方法不受基体形状的限制，适用于任何复杂形状刀具基体的涂层制备，且操作简单、应用方便，产业化前景光明，因而具有显著的经济效益。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金刚石涂层刀具制备方法，特别是一种采用微波化学复合预处理技术和电子增强热丝化学气相沉积(CVD)法对硬质合金基体复杂形状刀具进行金刚石涂层的制备方法，属于机械切削刀具制造技术领域。

背景技术

化学气相沉积(CVD)金刚石涂层技术能有效的对复杂形状刀具进行涂层，从而提高刀具耐用度，降低生产成本，应用前景极为广泛，因此复杂形状金刚石涂层刀具的开发应用是CVD金刚石涂层技术真正优势所在。然而，由于复杂形状刀具的结构特点和使用性能的要求，对刀具基体表面预处理工艺、沉积装置和沉积工艺、沉膜后金刚石薄膜与刀具基体的附着力检测评价等都有其特殊性，使得复杂形状金刚石涂层刀具实现产业化难度极大。根据实际切削加工发现，涂层刀具在实际切削应用中存在两大障碍，一是所制备的涂层附着强度偏低；二是涂层表面粗糙度偏高。而涂层的附着强度及其表面粗糙度是影响涂层刀具切削性能优劣的两个关键因素。因此，如何在有效提高涂层附着强度的同时降低涂层表面粗糙度，是改善涂层刀具综合加工性能的关键，但目前国内外研究的各种涂层刀具制备方法都不能很好地解决这个问题，尤其是针对复杂形状刀具基体方面的研究几乎为空白。关于在硬质合金基体上进行单层纳米金刚石涂层或复合纳米金刚石涂层技术研究，至今国内外还没有相关的专利及文献报道。

发明内容

为了克服现有的金刚石涂层刀具制备方法不能在获得高附着强度的同时有效降低涂层表面粗糙度的不足，本发明提供一种采用微波化学复合预处理技术和电子增强热丝CVD纳米金刚石复合涂层技术的金刚石涂层刀具制备方法，该方法不仅能使涂层在获得高附着强度的同时有效降低表面粗糙度，而且不受刀具基体形状的限制。从而极大地促进了涂层刀具的进一步推广和应用。通常所采用的刀具基体材料为硬质合金，其中主要包含碳化钨(WC)和粘结相钴(Co)元素。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：首先使用微波化学复合预处理技术对基体进行预处理，然后采用电子增强热丝CVD法，应用分阶段沉积工艺，进行纳米金刚石复合涂层。

微波化学复合预处理技术具体步骤如下：首先采用金刚石悬浮液超声清洗对刀具基体表面进行净化处理以去除复杂形状硬质合金刀具基体表面的油渍污物，然后经微波氧化处理，在刀具基体表面生成钴的氧化物，经后续的碱性溶液化学处理，将表面钴的氧化物彻底去除。再用酸液超声清洗以彻底去除表面重新显露的微量钴元素。通过以上处理，既彻底地去除表面层的钴，消除表层钴对金刚石生长的影响，又保留深层的钴，没有对刀具基体的韧性和强度造成损害。化学反应都在WC颗粒界面进行，使WC颗粒显露，从而产生微观不平，粗化效果明显。最后进行微波脱碳还原处理，用氢气(H₂)与氩气(Ar)的混合气体(氢气/氩气)使基体表面的WC发生脱碳，WC颗粒还原成细小而致密的W，以便在沉积金刚石的初期，反应气体中的碳与基体表面W产生化学键合再生成细小的WC。细小而致密的WC使得金刚石晶体形核密度大幅度提高，同时也在后续生长的金刚石多晶膜和刀具原始基体之间形成自然过渡层，有利于缓冲热应力，表面钴被去除而在表面留下的显微空隙使得所沉积的金刚石与基体表面WC材料之间发生机械性镶嵌，所有这些因素都有利于大幅度提高金刚石涂层的附着强度。

电子增强热丝CVD纳米金刚石复合涂层技术具体步骤如下：通过化学微波复合表面预处理脱钴、脱碳及对基体表面粗化处理后，采用电子增强热丝CVD法，对刀具基体进行涂层。在金刚石涂层初始阶段，通过选择适当工艺参数以提高金刚石晶体形核密度为主，为结晶良好的金刚石多晶膜的生长提供基本条件；在金刚石涂层中间阶段，通过控制沉积温度、反应气压等工艺措施，以生长晶粒粗壮、结晶性好的金刚石多晶膜为主，以利于提高涂层附着强度，提高金刚石涂层质量和耐磨性，但此时金刚石多晶膜表面粗糙，金刚石晶体尺寸为1～5微米；在金刚石涂层后期，采用增加二次成核的CVD新工艺即：采取降低气压、增加碳源浓度和添加氩气等工艺措施，极大提高金刚石二次形核率。在已经生长的结晶性好的金刚石多晶膜上再原位生长一层由微晶聚集而成的球状纳米级金刚石膜，纳米晶体尺寸为10～50纳米，所沉积的复合涂层同时具有附着强度高、表面光滑、摩擦系数低等优点，可免去研磨抛光工序。纳米金刚石复合涂层技术不仅适用于刀片的制备，而且更适用于整体式旋转刀具的制备。在获得高附着强度的基础上，完全能够将金刚石涂层表面粗糙度控制在Ra≤0.4微米的数量级上，达到研磨水平，满足高速切削对金刚石涂层刀具高的附着强度和低的表面粗糙度的要求。

本发明的有益效果是，可以在获得高附着强度的同时，方便地降低涂层表面粗糙度，从而极大地提高了涂层刀具的切削性能。并且该方法不受基体形状的限制，适用于任何复杂形状刀具基体的涂层制备。而本发明方法操作简单、应用方便，可以以较高的速率沉积大面积金刚石纳米复合涂层，产业化前景光明，具有显著的经济效益。

具体实施方式

下面结合以市场上出售的YG系列硬质合金刀具为基体进行纳米金刚石复合涂层的制备实例，对本发明的具体实施作进一步的描述。

第一步：将硬质合金刀具基体放入盛有金刚石悬浮液的超声清洗器中，对刀具基体进行净化处理，以去除复杂形状硬质合金刀具基体表面的油渍污物。金刚石粉末在超声中不断碰撞基体表面，去除刀具表面的油渍污物并均匀粗化基体，可大大提高金刚石的成核密度。

第二步：将经过金刚石悬浮液超声清洗处理后的刀具基体置于微波反应室中进行微波氧化处理。反应气体为二氧化碳和氧气，压力为1KPa，微波功率约为400W，反应时基体温度约为900℃，微波氧化处理时间为5～10分钟。经微波氧化处理后，在基体表面会出现黄褐色的钴和钨的氧化物粉末(CoWO₄和WO₃)。

第三步：从微波反应室中取出经微波氧化处理后的刀具基体置于15％的氢氧化钠(NaOH)溶液中进行碱溶液化学处理以去除表面钴和钨的氧化物。处理后基体表面的颜色从黄褐色变成灰白色，这时微波氧化所生成的CoWO₄和WO₃已被全部去除，基体表面出现均匀的微细凹凸不平，WC颗粒呈显露状态，原来被氧化物掩盖的金属钴及钴的化合物又重新显露。

第四步：将经碱溶液化学处理后的基体放入盛有10％盐酸溶液的容器中，2-3分钟后取出，用清水洗去残留盐酸，再放入到盛有金刚石悬浮液的超声清洗器中进行超声洗涤，其目的是除去基体表面的钴，同时用金刚石粉末在超声中不断碰撞基体表面，以进一步均匀粗化基体，提高金刚石的成核密度。

经酸液超声清洗处理后，基体表面成分和结构又回复到原始状态，但表面产生了均匀分布的凹凸不平，WC颗粒呈显露状态，表面钴元素得到有效遏止。这一表面处理结果有利于CVD金刚石的成核和涂层附着力的提高。

第五步：将经酸液超声清洗后的刀具基体放入到微波CVD设备中对刀具基体表面进行微波脱碳还原处理。用氢气/氩气使基体表面的WC发生脱碳，脱碳处理工艺参数为：微波功率500w，反应室氢气/氩气压力12Torr，经过15分钟微波脱碳还原处理后，基体表面的WC发生脱碳，WC颗粒还原成细小而致密的W。

第六步：在以上微波化学复合预处理的基础上，再采用电子增强热丝CVD法，将刀具基体置于电子增强CVD反应室中进行常规金刚石涂层。热灯丝采用φ0.6毫米的钽丝，用耐高温弹簧拉直，反应室抽真空后通入反应气体(氢气和丙酮)，调整反应室压力后开始CVD沉积常规金刚石涂层。常规涂层工艺参数为：压力4-10KPa，反应气体总流量200-400毫升/分，丙酮/氢气的体积比(碳源浓度)为1-3％，灯丝温度约为2200℃，偏流约1A，经过4小时沉积，基体表面沉积得到10微米以上的常规金刚石涂层。

第七步：进行纳米金刚石涂层。当常规金刚石涂层达到10微米后，开始原位沉积纳米金刚石涂层。此时刀具不必从电子增强热丝CVD反应室中取出，只需改变工艺条件即降低反应气体压力，增加碳源浓度和添加惰性气体Ar就行了。反应气体压力可降低到0.5-2KPa，碳源体积浓度增加到2％-6％，添加氩气，Ar/H₂为0.5-1.5(体积比)。降低反应气体压力，增加碳源浓度和添加惰性气体大大增加了金刚石二次成核的速度，由此沉积得到了纳米金刚石涂层，晶体颗粒大小约50-100纳米，涂层表面较光滑平整，摩擦系数小，硬度也有所下降。经过2小时后，得到约厚5微米的纳米金刚石涂层。这样在硬质合金基体表面就得到了15微米厚的纳米金刚石复合涂层。