一種具有金剛石涂層的硬質(zhì)合金件及其制備方法與流程

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>金屬材料;冶金;鑄造;磨削;拋光設(shè)備的制造及處理,應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明涉及金剛石涂層制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種具有金剛石涂層的硬質(zhì)合金件及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著汽車及航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，高強度輕質(zhì)量材料如鋁合金、鈦合金及玻璃纖維增強復(fù)合材料等受到廣泛關(guān)注，而金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具被認(rèn)為是加工這些材料的最佳選擇。一方面，硬質(zhì)合金(WC-Co)具有硬度高、耐磨、耐熱、較高斷裂韌性等優(yōu)良的綜合性能；另一方面，金剛石具有高強的硬度、耐磨性，高導(dǎo)熱率及化學(xué)鈍性，可提高刀具耐磨性、壽命、加工效率和加工精度。

然而，由于金剛石涂層與硬質(zhì)合金刀具之間的粘合力不足，實際上很難實現(xiàn)在硬質(zhì)合金基體上沉積出粘附性很好的金剛石薄膜，從而極大阻礙了該刀具的應(yīng)用，成為工業(yè)發(fā)展中的主要瓶頸。而導(dǎo)致金剛石薄膜在切削刀具上的粘附性不足的主要原因有：(1)硬質(zhì)合金基體中的粘結(jié)劑Co抑制金剛石生長，而有利于粘附性差的石墨沉積；(2)在金剛石薄膜與基體的界面上，金剛石晶粒與基體之間存在微小孔隙，這些微小孔隙的存在，減少了金剛石薄膜與基體的接觸面積，削弱了薄膜與基體間的結(jié)合力；(3)金剛石膜與基體材料之間熱膨脹系數(shù)相差很大，并且通常在高溫下(800℃)沉積產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，造成基體邊緣處膜--基界面因高熱誘發(fā)的切應(yīng)力使金剛石膜的結(jié)合力變差，薄膜與基體分層。

目前，為提高金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體粘附性主要有兩條途徑：一是采用表面脫Co處理；二是在金剛石涂層與硬質(zhì)合金之間沉積合適的中間層，以阻止基體中的鈷向表面擴散。表面脫Co處理法雖然在一定程度上能夠改善金剛石涂層與基體粘著性，但基體中Co的缺失會大大降低基體的強度，刻蝕Co的深度大于WC平均晶粒會形成一個脆性貧鈷層，在刀具使用過程中，在基體的貧鈷層處仍會發(fā)生分層。且在沉積金剛石薄膜的過程中，基體內(nèi)部未被刻蝕掉的Co仍會向表層擴散，促進非金剛石相的形成。而現(xiàn)有設(shè)置中間層的方法大都制備過程復(fù)雜，且金剛石涂層與硬質(zhì)合金刀具之間的粘附力提高有限。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于此，本發(fā)明第一方面提供了一種具有金剛石涂層的硬質(zhì)合金件，其通過在硬質(zhì)合金基體上先沉積碳化硅層和碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層作為中間層，再沉積金剛石涂層，以解決現(xiàn)有金剛石涂層與硬質(zhì)合金基體粘附性不足的問題，從而提高金剛石涂層在硬質(zhì)合金件上的使用壽命。

具體地，第一方面，本發(fā)明提供了一種具有金剛石涂層的硬質(zhì)合金件，包括硬質(zhì)合金基體，以及依次設(shè)置于所述基體上的碳化硅層、碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層和金剛石涂層，所述碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層中，沿厚度方向由所述碳化硅層向所述金剛石涂層，碳化硅含量逐漸減少而金剛石含量逐漸增加。

碳化硅層的存在能夠阻礙基體中的鈷向金剛石涂層擴散，并與鈷形成少量的鈷化硅化合物，消除鈷催化石墨的作用。

碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層中，成分、硬度和熱膨脹系數(shù)均呈梯度分布，無新界面的產(chǎn)生和成分突變的界面，因此可將薄膜熱應(yīng)力降至趨于零，具有優(yōu)異的膜基結(jié)合強度；且其中的碳化硅可以增強涂層的韌性。

本發(fā)明中，碳化硅層、碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層和金剛石涂層的厚度可根據(jù)實際需要設(shè)定，例如根據(jù)硬質(zhì)合金件的尺寸、用途等設(shè)定。

本發(fā)明中，所述碳化硅層的厚度為0.1-2微米，也可以為300-500納米。所述碳化硅層中的碳化硅晶粒大小為納米級別(即100納米以內(nèi))，具體可以是30-80納米。適合的厚度能保證碳化硅層能很好地附著在基體表面，以及為后續(xù)沉積碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層和金剛石涂層提供良好基礎(chǔ)，且能有效阻礙基體中的鈷向金剛石涂層擴散。

本發(fā)明中，所述碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層的厚度為1-8微米，也可以為2-4微米；適合的梯度復(fù)合涂層厚度，有利于形成良好的中間過渡層，使該涂層的彈性模量和熱膨脹系數(shù)在基體與金剛石涂層的彈性模量和熱膨脹系數(shù)之間均勻地梯度變化，從而降低金剛石涂層的切應(yīng)力峰值，提高金剛石涂層與基體的粘附性。所述碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層中，碳化硅晶粒大小為納米級別，具體可以是30-80納米，金剛石晶粒的大小為納米級別或微米級別(即1-5微米)，具體可以是10-80納米、1-4微米。

本發(fā)明中，所述金剛石涂層的厚度為1-15微米，優(yōu)選范圍2-4微米，所述金剛石涂層的金剛石晶粒為納米或微米級別。

當(dāng)涂層中金剛石晶粒為納米級別時，涂層中石墨相增加，涂層的斷裂韌性更高；當(dāng)涂層中金剛石晶粒為微米級別時，涂層硬度、強度會更高。不同結(jié)構(gòu)性能可以滿足人們對硬質(zhì)合金件的不同需求。

本發(fā)明中，整個碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層中，碳化硅所占體積分?jǐn)?shù)可為30-70％，例如40％、50％、60％。碳化硅相對含量大，能增強薄膜的粘貼性和斷裂韌性；相對含量小則涂層硬度、強度會更高。

本發(fā)明中，為了使金剛石涂層獲得更好的粘附性，金剛石涂層的設(shè)置厚度最好不超過4倍所述碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層的厚度，例如可以是1-3倍或1-2倍所述碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層厚度。

本發(fā)明中，沿所述碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層的厚度方向，碳化硅和金剛石的含量在大于0小于100％之間變化，使從碳化硅層到金剛石涂層，碳化硅含量由100％至0逐漸減少，而金剛石含量由0至100％逐漸增加，即基體表面整個涂層從基體到頂層，碳化硅含量由100％至0逐漸減少，而金剛石含量由0至100％逐漸增加，無新界面的增加。

本發(fā)明中，硬質(zhì)合金基體可以是硬質(zhì)合金刀具或其他工具(如模具)、部件等。即所述具有金剛石涂層的硬質(zhì)合金件可以是刀具、模具、機械零部件等。硬質(zhì)合金具體可以是以高硬度難熔金屬的碳化物(碳化鎢、碳化鈦)微米級粉末為主要成分，以鈷、鎳或鉬為粘結(jié)劑燒結(jié)成的粉末冶金制品，鈷在硬質(zhì)合金中的質(zhì)量含量一般為6wt.％-10wt.％。

本發(fā)明具有金剛石涂層的硬質(zhì)合金件，通過在硬質(zhì)合金基體上先設(shè)置碳化硅層和碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層作為中間層，再設(shè)置金剛石涂層，使得基體表面整個涂層從基體到頂層不僅成分呈梯度變化，無新界面的增加，而且熱膨脹系數(shù)呈梯度變化，從而有效降低金剛石薄膜中的熱應(yīng)力，提高薄膜結(jié)合力。

相應(yīng)地，本發(fā)明第二方面提供了一種具有金剛石涂層的硬質(zhì)合金件的制備方法，包括以下步驟：

取硬質(zhì)合金基體，將其進行噴砂預(yù)處理；

采用熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備，以氫氣和有機硅烷為反應(yīng)氣體，在預(yù)處理后的硬質(zhì)合金基體表面沉積碳化硅層，所述有機硅烷占總氣體體積的0.01％～1％；

然后向所述熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備通入甲烷，即以氫氣、甲烷和有機硅烷為反應(yīng)氣體，控制甲烷占總氣體體積的0.4％～5％，有機硅烷占總氣體體積的0.01％～1％，在所述碳化硅層表面沉積形成碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層，反應(yīng)過程中逐漸增加所述甲烷流量，同時逐漸降低所述有機硅烷流量，使所述碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層中，碳化硅含量沿厚度增長方向逐漸減少而金剛石含量逐漸增加；

將所述有機硅烷流量降至零時，控制甲烷占總氣體體積的1％～4％，以氫氣和甲烷為反應(yīng)氣體，在所述碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層上沉積金剛石涂層；最終得到具有金剛石涂層的硬質(zhì)合金件；

上述沉積過程中，真空室氣壓為0.5～10kPa，燈絲溫度為1500～2600℃，基體溫度為600～900℃。

本發(fā)明中，所述有機硅烷包括四甲基硅烷、甲硅烷、乙硅烷、單甲基硅烷、二甲基硅烷中的一種或多種。

本發(fā)明中，沉積碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層時，可通過控制反應(yīng)氣體的含量，以及真空室氣壓、燈絲及基體溫度等，以得到含不同粒徑大小金剛石晶粒的碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層。例如，控制甲烷占總氣體體積的0.4％～3％，有機硅烷占總氣體體積的0.01％～0.2％，真空室氣壓為3～10kPa，燈絲溫度為1900～2600℃，基體溫度為700～900℃，使梯度復(fù)合涂層中形成微米級別金剛石晶粒；控制甲烷占總氣體體積的3％～5％，有機硅烷占總氣體體積的0.1％～1％，真空室氣壓為0.5～4kPa，燈絲溫度為1500～2600℃，基體溫度為600～900℃，使梯度復(fù)合涂層中形成納米級別金剛石晶粒。

本發(fā)明中，各層的沉積時間可根據(jù)具體需要沉積的厚度而具體設(shè)定，可選地，沉積碳化硅層的沉積時間為0.5～2.5h，沉積碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層的沉積時間為2～6h，沉積金剛石涂層的沉積時間為1～8h。可選地，所述碳化硅層的厚度為0.1-2微米；所述碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層的厚度為1-8微米；所述金剛石涂層的厚度為1-15微米。

本發(fā)明提供的具有金剛石涂層的硬質(zhì)合金件的制備方法，通過調(diào)節(jié)梯度復(fù)合涂層中碳化硅和金剛石的含量的變化可改變涂層的內(nèi)應(yīng)力，可使梯度復(fù)合涂層的彈性模量和熱膨脹系數(shù)從基體到頂層薄膜呈梯度變化，有效改善薄膜的力學(xué)性能，降低薄膜內(nèi)應(yīng)力；本發(fā)明采用同一臺熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備，實現(xiàn)了碳化硅層、梯度復(fù)合涂層及頂層金剛石涂層的連續(xù)性生長，整個工藝流程時間大大縮短，工藝參數(shù)易于控制，可大面積制備CVD金剛石涂層，使成本大幅降低，非常適用于金剛石涂層工具的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

本發(fā)明的優(yōu)點將會在下面的說明書中部分闡明，一部分根據(jù)說明書是顯而易見的，或者可以通過本發(fā)明實施例的實施而獲知。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例中具有金剛石涂層的硬質(zhì)合金件的截面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，101為硬質(zhì)合金基體，102為碳化硅層，103為碳化硅-金剛石梯度復(fù)合涂層，104為金剛石涂層，10代表碳化硅。

具體實施方式

以下所述是本發(fā)明實施例的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明實施例原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發(fā)明實施例的保護范圍。

實施例1