專利名稱：硬質(zhì)合金基體復(fù)雜形狀刀具金剛石涂層制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金剛石涂層刀具制備方法，特別是一種采用微波化學(xué)復(fù)合預(yù)處理技術(shù)和電子增強熱絲化學(xué)氣相沉積(CVD)法對硬質(zhì)合金基體復(fù)雜形狀刀具進(jìn)行金剛石涂層的制備方法，屬于機械切削刀具制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石涂層技術(shù)能有效的對復(fù)雜形狀刀具進(jìn)行涂層，從而提高刀具耐用度，降低生產(chǎn)成本，應(yīng)用前景極為廣泛，因此復(fù)雜形狀金剛石涂層刀具的開發(fā)應(yīng)用是CVD金剛石涂層技術(shù)真正優(yōu)勢所在。然而，由于復(fù)雜形狀刀具的結(jié)構(gòu)特點和使用性能的要求，對刀具基體表面預(yù)處理工藝、沉積裝置和沉積工藝、沉膜后金剛石薄膜與刀具基體的附著力檢測評價等都有其特殊性，使得復(fù)雜形狀金剛石涂層刀具實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化難度極大。根據(jù)實際切削加工發(fā)現(xiàn)，涂層刀具在實際切削應(yīng)用中存在兩大障礙，一是所制備的涂層附著強度偏低；二是涂層表面粗糙度偏高。而涂層的附著強度及其表面粗糙度是影響涂層刀具切削性能優(yōu)劣的兩個關(guān)鍵因素。因此，如何在有效提高涂層附著強度的同時降低涂層表面粗糙度，是改善涂層刀具綜合加工性能的關(guān)鍵，但目前國內(nèi)外研究的各種涂層刀具制備方法都不能很好地解決這個問題，尤其是針對復(fù)雜形狀刀具基體方面的研究幾乎為空白。關(guān)于在硬質(zhì)合金基體上進(jìn)行單層納米金剛石涂層或復(fù)合納米金剛石涂層技術(shù)研究，至今國內(nèi)外還沒有相關(guān)的專利及文獻(xiàn)報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的金剛石涂層刀具制備方法不能在獲得高附著強度的同時有效降低涂層表面粗糙度的不足，本發(fā)明提供一種采用微波化學(xué)復(fù)合預(yù)處理技術(shù)和電子增強熱絲CVD納米金剛石復(fù)合涂層技術(shù)的金剛石涂層刀具制備方法，該方法不僅能使涂層在獲得高附著強度的同時有效降低表面粗糙度，而且不受刀具基體形狀的限制。從而極大地促進(jìn)了涂層刀具的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。通常所采用的刀具基體材料為硬質(zhì)合金，其中主要包含碳化鎢(WC)和粘結(jié)相鈷(Co)元素。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是首先使用微波化學(xué)復(fù)合預(yù)處理技術(shù)對基體進(jìn)行預(yù)處理，然后采用電子增強熱絲CVD法，應(yīng)用分階段沉積工藝，進(jìn)行納米金剛石復(fù)合涂層。
微波化學(xué)復(fù)合預(yù)處理技術(shù)具體步驟如下首先采用金剛石懸浮液超聲清洗對刀具基體表面進(jìn)行凈化處理以去除復(fù)雜形狀硬質(zhì)合金刀具基體表面的油漬污物，然后經(jīng)微波氧化處理，在刀具基體表面生成鈷的氧化物，經(jīng)后續(xù)的堿性溶液化學(xué)處理，將表面鈷的氧化物徹底去除。再用酸液超聲清洗以徹底去除表面重新顯露的微量鈷元素。通過以上處理，既徹底地去除表面層的鈷，消除表層鈷對金剛石生長的影響，又保留深層的鈷，沒有對刀具基體的韌性和強度造成損害?；瘜W(xué)反應(yīng)都在WC顆粒界面進(jìn)行，使WC顆粒顯露，從而產(chǎn)生微觀不平，粗化效果明顯。最后進(jìn)行微波脫碳還原處理，用氫氣(H2)與氬氣(Ar)的混合氣體(氫氣/氬氣)使基體表面的WC發(fā)生脫碳，WC顆粒還原成細(xì)小而致密的W，以便在沉積金剛石的初期，反應(yīng)氣體中的碳與基體表面W產(chǎn)生化學(xué)鍵合再生成細(xì)小的WC。細(xì)小而致密的WC使得金剛石晶體形核密度大幅度提高，同時也在后續(xù)生長的金剛石多晶膜和刀具原始基體之間形成自然過渡層，有利于緩沖熱應(yīng)力，表面鈷被去除而在表面留下的顯微空隙使得所沉積的金剛石與基體表面WC材料之間發(fā)生機械性鑲嵌，所有這些因素都有利于大幅度提高金剛石涂層的附著強度。
電子增強熱絲CVD納米金剛石復(fù)合涂層技術(shù)具體步驟如下通過化學(xué)微波復(fù)合表面預(yù)處理脫鈷、脫碳及對基體表面粗化處理后，采用電子增強熱絲CVD法，對刀具基體進(jìn)行涂層。在金剛石涂層初始階段，通過選擇適當(dāng)工藝參數(shù)以提高金剛石晶體形核密度為主，為結(jié)晶良好的金剛石多晶膜的生長提供基本條件；在金剛石涂層中間階段，通過控制沉積溫度、反應(yīng)氣壓等工藝措施，以生長晶粒粗壯、結(jié)晶性好的金剛石多晶膜為主，以利于提高涂層附著強度，提高金剛石涂層質(zhì)量和耐磨性，但此時金剛石多晶膜表面粗糙，金剛石晶體尺寸為1～5微米；在金剛石涂層后期，采用增加二次成核的CVD新工藝即采取降低氣壓、增加碳源濃度和添加氬氣等工藝措施，極大提高金剛石二次形核率。在已經(jīng)生長的結(jié)晶性好的金剛石多晶膜上再原位生長一層由微晶聚集而成的球狀納米級金剛石膜，納米晶體尺寸為10～50納米，所沉積的復(fù)合涂層同時具有附著強度高、表面光滑、摩擦系數(shù)低等優(yōu)點，可免去研磨拋光工序。納米金剛石復(fù)合涂層技術(shù)不僅適用于刀片的制備，而且更適用于整體式旋轉(zhuǎn)刀具的制備。在獲得高附著強度的基礎(chǔ)上，完全能夠?qū)⒔饎偸繉颖砻娲植诙瓤刂圃赗a≤0.4微米的數(shù)量級上，達(dá)到研磨水平，滿足高速切削對金剛石涂層刀具高的附著強度和低的表面粗糙度的要求。
本發(fā)明的有益效果是，可以在獲得高附著強度的同時，方便地降低涂層表面粗糙度，從而極大地提高了涂層刀具的切削性能。并且該方法不受基體形狀的限制，適用于任何復(fù)雜形狀刀具基體的涂層制備。而本發(fā)明方法操作簡單、應(yīng)用方便，可以以較高的速率沉積大面積金剛石納米復(fù)合涂層，產(chǎn)業(yè)化前景光明，具有顯著的經(jīng)濟效益。
具體實施例方式
下面結(jié)合以市場上出售的YG系列硬質(zhì)合金刀具為基體進(jìn)行納米金剛石復(fù)合涂層的制備實例，對本發(fā)明的具體實施作進(jìn)一步的描述。
第一步將硬質(zhì)合金刀具基體放入盛有金剛石懸浮液的超聲清洗器中，對刀具基體進(jìn)行凈化處理，以去除復(fù)雜形狀硬質(zhì)合金刀具基體表面的油漬污物。金剛石粉末在超聲中不斷碰撞基體表面，去除刀具表面的油漬污物并均勻粗化基體，可大大提高金剛石的成核密度。
第二步將經(jīng)過金剛石懸浮液超聲清洗處理后的刀具基體置于微波反應(yīng)室中進(jìn)行微波氧化處理。反應(yīng)氣體為二氧化碳和氧氣，壓力為1KPa，微波功率約為400W，反應(yīng)時基體溫度約為900℃，微波氧化處理時間為5～10分鐘。經(jīng)微波氧化處理后，在基體表面會出現(xiàn)黃褐色的鈷和鎢的氧化物粉末(CoWO4和WO3)。
第三步從微波反應(yīng)室中取出經(jīng)微波氧化處理后的刀具基體置于15％的氫氧化鈉(NaOH)溶液中進(jìn)行堿溶液化學(xué)處理以去除表面鈷和鎢的氧化物。處理后基體表面的顏色從黃褐色變成灰白色，這時微波氧化所生成的CoWO4和WO3已被全部去除，基體表面出現(xiàn)均勻的微細(xì)凹凸不平，WC顆粒呈顯露狀態(tài)，原來被氧化物掩蓋的金屬鈷及鈷的化合物又重新顯露。
第四步將經(jīng)堿溶液化學(xué)處理后的基體放入盛有10％鹽酸溶液的容器中，2-3分鐘后取出，用清水洗去殘留鹽酸，再放入到盛有金剛石懸浮液的超聲清洗器中進(jìn)行超聲洗滌，其目的是除去基體表面的鈷，同時用金剛石粉末在超聲中不斷碰撞基體表面，以進(jìn)一步均勻粗化基體，提高金剛石的成核密度。
經(jīng)酸液超聲清洗處理后，基體表面成分和結(jié)構(gòu)又回復(fù)到原始狀態(tài)，但表面產(chǎn)生了均勻分布的凹凸不平，WC顆粒呈顯露狀態(tài)，表面鈷元素得到有效遏止。這一表面處理結(jié)果有利于CVD金剛石的成核和涂層附著力的提高。
第五步將經(jīng)酸液超聲清洗后的刀具基體放入到微波CVD設(shè)備中對刀具基體表面進(jìn)行微波脫碳還原處理。用氫氣/氬氣使基體表面的WC發(fā)生脫碳，脫碳處理工藝參數(shù)為微波功率500w，反應(yīng)室氫氣/氬氣壓力12Torr，經(jīng)過15分鐘微波脫碳還原處理后，基體表面的WC發(fā)生脫碳，WC顆粒還原成細(xì)小而致密的W。
第六步在以上微波化學(xué)復(fù)合預(yù)處理的基礎(chǔ)上，再采用電子增強熱絲CVD法，將刀具基體置于電子增強CVD反應(yīng)室中進(jìn)行常規(guī)金剛石涂層。熱燈絲采用φ0.6毫米的鉭絲，用耐高溫彈簧拉直，反應(yīng)室抽真空后通入反應(yīng)氣體(氫氣和丙酮)，調(diào)整反應(yīng)室壓力后開始CVD沉積常規(guī)金剛石涂層。常規(guī)涂層工藝參數(shù)為壓力4-10KPa，反應(yīng)氣體總流量200-400毫升/分，丙酮/氫氣的體積比(碳源濃度)為1-3％，燈絲溫度約為2200℃，偏流約1A，經(jīng)過4小時沉積，基體表面沉積得到10微米以上的常規(guī)金剛石涂層。
第七步進(jìn)行納米金剛石涂層。當(dāng)常規(guī)金剛石涂層達(dá)到10微米后，開始原位沉積納米金剛石涂層。此時刀具不必從電子增強熱絲CVD反應(yīng)室中取出，只需改變工藝條件即降低反應(yīng)氣體壓力，增加碳源濃度和添加惰性氣體Ar就行了。反應(yīng)氣體壓力可降低到0.5-2KPa，碳源體積濃度增加到2％-6％，添加氬氣，Ar/H2為0.5-1.5(體積比)。降低反應(yīng)氣體壓力，增加碳源濃度和添加惰性氣體大大增加了金剛石二次成核的速度，由此沉積得到了納米金剛石涂層，晶體顆粒大小約50-100納米，涂層表面較光滑平整，摩擦系數(shù)小，硬度也有所下降。經(jīng)過2小時后，得到約厚5微米的納米金剛石涂層。這樣在硬質(zhì)合金基體表面就得到了15微米厚的納米金剛石復(fù)合涂層。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)合金基體復(fù)雜形狀刀具金剛石涂層制備方法，其特征在于該制備方法包括微波化學(xué)復(fù)合預(yù)處理技術(shù)和電子增強熱絲CVD納米金剛石復(fù)合涂層技術(shù)，應(yīng)用分階段沉積工藝，進(jìn)行納米金剛石復(fù)合涂層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金基體復(fù)雜形狀刀具金剛石涂層制備方法，其特征還在于微波化學(xué)復(fù)合預(yù)處理技術(shù)包括[1]將硬質(zhì)合金刀具基體放入盛有金剛石懸浮液的超聲清洗器中，對刀具基體進(jìn)行凈化處理，以去除復(fù)雜形狀硬質(zhì)合金刀具基體表面的油漬污物并均勻粗化基體；[2]將經(jīng)過金剛石懸浮液超聲清洗處理后的刀具基體置于微波反應(yīng)室中進(jìn)行微波氧化處理，反應(yīng)氣體為二氧化碳和氧氣，壓力為1KPa，微波功率約為400W，反應(yīng)時基體溫度約為900℃，微波氧化處理時間為5～10分鐘；[3]從微波反應(yīng)室中取出經(jīng)微波氧化處理后的刀具基體置于15％的氫氧化鈉(NaOH)溶液中進(jìn)行堿溶液化學(xué)處理以去除表面鈷和鎢的氧化物；[4]將經(jīng)堿溶液化學(xué)處理后的基體放入盛有10％鹽酸溶液的容器中，2-3分鐘后取出，用清水洗去殘留鹽酸，再放入到盛有金剛石懸浮液的超聲清洗器中進(jìn)行超聲清洗；[5]將經(jīng)酸液超聲清洗后的刀具基體放入到微波CVD設(shè)備中對刀具基體表面進(jìn)行微波脫碳還原處理，用氫氣/氬氣使基體表面的WC發(fā)生脫碳，脫碳處理工藝參數(shù)為微波功率500w，反應(yīng)室氫氣/氬氣壓力12Torr，經(jīng)過15分鐘微波脫碳還原處理后，基體表面的WC發(fā)生脫碳，WC顆粒還原成細(xì)小而致密的W。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)合金基體復(fù)雜形狀刀具金剛石涂層制備方法，其特征還在于電子增強熱絲CVD納米金剛石復(fù)合涂層技術(shù)包括[1]在以上微波化學(xué)復(fù)合預(yù)處理的基礎(chǔ)上，采用電子增強熱絲CVD法，將刀具基體置于電子增強CVD反應(yīng)室中進(jìn)行常規(guī)金剛石涂層，熱燈絲采用φ0.6毫米的鉭絲，用耐高溫彈簧拉直，反應(yīng)室抽真空后通入反應(yīng)氣體(氫氣和丙酮)，調(diào)整反應(yīng)室壓力后開始CVD沉積常規(guī)金剛石涂層，常規(guī)涂層工藝參數(shù)為壓力4-10KPa，反應(yīng)氣體總流量200400毫升/分，丙酮/氫氣的體積比為1-3％，燈絲溫度約為2200℃，偏流約1A，通過控制沉積時間來獲得理想厚度的常規(guī)金剛石涂層；[2]當(dāng)常規(guī)金剛石涂層達(dá)到理想厚度后，開始原位沉積納米金剛石涂層，此時刀具不必從電子增強熱絲CVD反應(yīng)室中取出，只需改變工藝條件即降低反應(yīng)氣體壓力，增加碳源濃度和添加惰性氣體Ar就可大大增加了金剛石二次成核的速度，由此沉積得到了納米金剛石涂層，反應(yīng)氣體壓力可降低到0.5-2KPa，碳源體積濃度增加到2％-6％，添加氬氣，Ar/H2為0.5-1.5(體積比)，通過控制沉積時間來獲得理想厚度的納米金剛石涂層。
全文摘要
一種硬質(zhì)合金基體復(fù)雜形狀刀具金剛石涂層制備方法。該方法針對復(fù)雜形狀硬質(zhì)合金刀具基體，采用微波化學(xué)復(fù)合預(yù)處理技術(shù)對刀具基體進(jìn)行脫鈷、脫碳及粗化處理，以提高涂層早期形核率和改善金剛石涂層的附著強度。再采用電子增強熱絲CVD納米金剛石復(fù)合涂層技術(shù)，通過改變工藝條件，在已經(jīng)生長的結(jié)晶性好的金剛石涂層上再原位生長一層由微晶聚集而成的球狀納米級金剛石涂層，在獲得高附著強度的同時，有效地降低了涂層表面粗糙度，從而極大地提高了涂層刀具的切削性能。該方法不受基體形狀的限制，適用于任何復(fù)雜形狀刀具基體的涂層制備，且操作簡單、應(yīng)用方便，產(chǎn)業(yè)化前景光明，因而具有顯著的經(jīng)濟效益。
文檔編號C23C16/26GK1528947SQ0315129
公開日2004年9月15日 申請日期2003年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月29日
發(fā)明者陳明, 孫方宏, 張志明, 簡小剛, 陳 明 申請人:上海交通大學(xué)