CN101220462A - 硬质合金表面沉积cvd金刚石膜的梯度法预处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明针对目前的现有的硬质合金表面沉积CVD金刚石膜预处理工艺中棱边和尖角上脱Co的速度比面上脱Co的速度快，造成棱边和尖角处强度降低，影响产品的性能，甚至还会造成棱边和尖角蚀损等问题，发明了一种硬质合金表面沉积CVD金刚石膜的梯度法预处理工艺，它的主要工艺流程为：抛光(1)→清洗(2)→刻蚀WC(3)→清洗(4)→第一次刻蚀Co(5)→清洗(6)→干燥(7)→涂胶(8)→第二次刻蚀Co(9)→清洗(10)→溶胶(11)→植晶(12)，尤其是其中的涂胶工艺保证了硬质合金表面预处理后满足CVD金刚石膜的沉积需求，同时使得硬质合金产品棱边和尖角脱Co量与面上的脱Co量基本一致，保证了棱边和尖角处强度，提高了CVD金刚石膜的性能。

Description

硬质合金表面沉积CVD金刚石膜的梯度法预处理工艺

技术领域

本发明涉及一种硬质合金表面沉积CVD金刚石膜前的预处理工艺，尤其是一种能保证棱边和尖角处强度，以提高CVD金刚石膜附着性能的预处理工艺，具体地说是一种硬质合金表面沉积CVD金刚石膜的梯度法预处理工艺。

背景技术

目前，化学气相沉积(简称CVD)金刚石的力学、热学、声学、电学、光学和化学等各项性能已经达到或接近天然金刚石的性能，在当今高科技领域具有广阔的应用前景。硬质合金作为一种广泛使用的耐磨材料，在很多工业领域有着广泛应用。在硬质合金产品表面上沉积一层CVD金刚石涂层，可以进一步提高硬质合金产品的耐磨性。硬质合金刀片中Co是良好的粘结剂，从而使硬质合金具有良好的韧性和抗弯性能，但在硬质合金上沉积金刚石时Co却有一些负面影响：①阻碍和推迟金刚石的成核和生长；②催化非金刚石相的形成；③在CVD金刚石的条件下溶解金刚石薄膜；④Co强烈促进金刚石的二次成核。为了在硬质合金表面获得高品质、结合性能良好的CVD金刚石涂层，需要对硬质合金表面进行预处理。现有的酸刻蚀脱Co预处理方法中都存在刻蚀不均匀问题，即棱边和尖角上脱Co的速度比面上脱Co的速度快。由于Co是硬质合金中的粘接剂，脱Co会使硬质合金表面产生孔隙，强度降低，脱Co不均匀使得当面上脱Co满足要求时，棱边和尖角脱Co严重，造成棱边和尖角处强度降低，影响产品的性能，甚至还会造成棱边和尖角蚀损。

发明内容

本发明的目的是针对现有的预处理工艺在脱Co时易造成棱边和尖角处脱Co不均匀造成沉积不均，影响刀具切削性能的问题，发明一种硬质合金表面沉积CVD金刚石膜的梯度法预处理工艺，一方面保证硬质合金表面预处理后满足CVD金刚石膜的沉积需求，另一方面使得硬质合金产品棱边和尖角脱Co量与面上的脱Co量基本一致，保证棱边和尖角处沉积层的强度，提高CVD金刚石膜的性能。

本发明的技术方案是：

一种硬质合金表面沉积CVD金刚石膜的梯度法预处理工艺，其流程为：(1)抛光→(2)清洗→(3)刻蚀WC→(4)清洗→(5)第一次刻蚀Co→(6)清洗→(7)干燥→(8)涂胶→(9)第二次刻蚀Co→(10)清洗→(11)溶胶→(12)植晶；其中所述的步骤(3)刻蚀WC采用由铁氰化钾、氢氧化钾和水组成的刻蚀溶液刻蚀，刻蚀溶液温度T在10℃～80℃之间时，刻蚀时间 $t=31-e^{\frac{T-10}{25}}$ (min);所述的步骤(5)第一次刻蚀Co采用由硝酸、双氧水和水组成的刻蚀溶液刻蚀，室温下刻蚀1.5min～2min；所述的步骤(8)涂胶是采用可溶性有机溶剂在棱边和尖角上涂布，棱边和尖角两侧胶水涂布宽度均控制在0.2mm～0.6mm之内；所述的步骤(9)第二次刻蚀Co采用与第一次刻蚀Co相同的刻蚀溶液进行刻蚀，室温下刻蚀3min～5min；所述的步骤(12)植晶是将经步骤(11)溶胶处理后的硬质合金产品放入粒度小于50nm的纳米金刚石粉的丙酮悬浊液中超声波振动不少于30min；所述的步骤(2，4，6，10)清洗时应采用去离子水或蒸馏水超声波清洗1～3次，所述的步骤(11)溶胶是指用有机溶剂超声波清洗1～3次。

所述的步骤(3)刻蚀WC所采用的刻蚀溶液的配比为K₃[Fe(CN)₆]∶KOH∶H₂O＝1∶1∶10。

所述的步骤(5)第一次刻蚀Co采用的刻蚀溶液的配比为HNO₃∶H₂O₂∶H₂O＝2∶1∶20。

本发明的有益效果：

1、采用本发明的硬质合金表面沉积CVD金刚石膜的梯度法预处理工艺，表面预处理后硬质合金产品棱边和尖角脱Co量与面上的脱Co量基本一致，没有棱边和尖角蚀损，棱边和尖角处强度得到保证，沉积CVD金刚石时成核密度高，制备的CVD金刚石膜的质量好，膜与基体的结合性能好，棱边和尖角上CVD金刚石膜的质量好。

2、K₃[Fe(CN)₆]∶KOH∶H₂O＝1∶1∶10刻蚀溶液超声波振动可以有效刻蚀WC，刻蚀溶液温度越高，刻蚀WC速度就越快，刻蚀溶液温度T在10℃～80℃之间，超声波振动刻蚀时间 $t=31-e^{\frac{T-10}{25}}$ (min)时刻蚀WC效果较好。

3、采用HNO₃∶H₂O₂∶H₂O＝2∶1∶20的刻蚀溶液刻蚀Co第一次室温下刻蚀1.5min～2min，第二次室温下刻蚀3min～5min，保证有效去除硬质合金表面的Co，满足CVD金刚石沉积要求，同时又保证硬质合金产品棱边和尖角脱Co量与面上的脱Co量基本一致。

4、本发明通过增加涂布工艺步骤，采用有机溶剂可溶性的胶水在刀具尖角和棱角处进行涂布，使得在有机溶剂清洗后不影响脱Co和刻蚀WC的效果，而且胶水清洗方便，清洗后不会在硬质合金表面残存。棱边和尖角两侧胶水涂布宽度均在0.2mm～0.6mm之内可以在第二次刻蚀Co时有效保护棱边和尖角的同时又不会遮挡过多其它的硬质合金表面，保证了脱Co效果，大大提高了刀具的沉积性能。

5、粒度小于50nm纳米金刚石粉的丙酮悬浊液中超声波振动30min植晶后，CVD金刚石的成核密度增加。

6、以下是利用本发明的预处理工艺处理后沉积CVD金刚石涂层的效果例：

(1)将经本发明预处理后的K10硬质合金精加工车刀基体放入沉积炉中，沉积CVD金刚石涂层，车刀的切削刃和刀尖没有出现蚀损，保证了切削刃和刀尖的性能，车刀上的沉积CVD金刚石涂层能够满足高硅铝合金的精车要求。而采用传统预处理方法的精加工车刀的切削刃和刀尖都会有不同程度的蚀损，其上沉积的CVD金刚石涂层上有蚀损保留在切削刃和刀尖上，车刀性能明显降低。

(2)采用本发明的预处理工艺后，在沉积CVD金刚石涂层的YG6硬质合金铣刀上进行表面预处理，铣刀的切削刃和刀尖没有出现蚀损，保证了切削刃和刀尖的性能，在处理后的铣刀上沉积CVD金刚石涂层能够满足铜、铝合金的铣削要求。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

一种硬质合金表面沉积CVD金刚石膜的梯度法预处理工艺，其流程为：(1)抛光→(2)清洗→(3)刻蚀WC→(4)清洗→(5)第一次刻蚀Co→(6)清洗→(7)干燥→(8)涂胶→(9)第二次刻蚀Co→(10)清洗→(11)溶胶→(12)植晶；预处理时先在工具磨床上对车刀进行抛光(步骤1)，接着在室温下用超声波清洗机对抛光后的车刀进行清洗(步骤2)一至三次，清洗溶液为去离子水(也可用蒸馏水)，每次5min。将清洗后的车刀放入塑料容器中，将铁氰化钾、氢氧化钾和水按照1∶1∶10(也可采用与现有技术相同的配方)配制好的刻蚀WC溶液倒入塑料容器中，液面超过车刀1cm，在室温下超声波振动刻蚀29min(具体实施时刻蚀WC的温度T在10℃～80℃之间时，相应的刻蚀时间 $t=31-e^{\frac{T-10}{25}}$ (min))(步骤3)，刻蚀WC结束后再用去离子水(也可用蒸馏水)超声波清洗(步骤4)一至三次，每次清洗2min。接着将刻蚀WC处理后的车刀放入玻璃容器中，将硝酸、双氧水和水按照2∶1∶20(也可采用现有技术相同的配方)配制好的刻蚀Co溶液倒入玻璃容器中，液面超过车刀2cm，在23℃的室温下超声波振动刻蚀1.5～2min(步骤5)后用去离子水(也可用蒸馏水，下同)超声波清洗(步骤6)一至三次，每次清洗2min。清洗车刀放入干燥箱中烘干(步骤7)后的用棉签蘸上502胶水快速在车刀的主、副切削刃上均匀布胶(步骤8)，胶水(应采用有机溶剂可溶性胶水)在主、副切削刃两侧的涂布宽度为0.2mm。将涂胶后的车刀再次放入玻璃容器中，将硝酸、双氧水和水按照2∶1∶20配制好的刻蚀Co溶液倒入玻璃容器中，液面超过车刀2cm，在室温下超声波振动刻蚀3min(步骤9)后用去离子水超声波清洗(步骤10)一至三次，每次清洗2min。将第二次刻蚀Co后的车刀放入丙酮溶液中超声波清洗三次脱胶(步骤11)，每次清洗3min。将丙酮超声波清洗后的车刀放入配制好的纳米金刚石粉的丙酮悬浊液中，纳米金刚石粉含量为0.5％，粒度为50nm，超声波振动30min后取出，完成植晶(步骤12)。预处理后K10硬质合金车刀的切削刃和刀尖没有出现蚀损，保证了切削刃和刀尖的性能。

本实施例未涉及的有机溶剂可溶性胶水、离子水、超声波清洗、干燥方式以及步骤11的溶胶等工艺、材料及设备均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种硬质合金表面沉积CVD金刚石膜的梯度法预处理工艺，其流程为：(1)抛光→(2)清洗→(3)刻蚀WC→(4)清洗→(5)第一次刻蚀Co→(6)清洗→(7)干燥→(8)涂胶→(9)第二次刻蚀Co→(10)清洗→(11)溶胶→(12)植晶；其中所述的步骤(3)刻蚀WC采用由铁氰化钾、氢氧化钾和水组成的刻蚀溶液刻蚀，刻蚀溶液温度T在10℃～80℃之间时，刻蚀时间 $t=31-e^{\frac{T-10}{25}}$ (min)；所述的步骤(5)第一次刻蚀Co采用由硝酸、双氧水和水组成的刻蚀溶液刻蚀，室温下刻蚀1.5min～2min；所述的步骤(8)涂胶是采用有机溶剂可溶性胶在棱边和尖角上涂布，棱边和尖角两侧胶水涂布宽度均控制在0.2mm～0.6mm之内；所述的步骤(9)第二次刻蚀Co采用与第一次刻蚀Co相同的刻蚀溶液进行刻蚀，室温下刻蚀3min～5min；所述的步骤(12)植晶是将经步骤(11)溶胶处理后的硬质合金产品放入粒度小于50nm的纳米金刚石粉的丙酮悬浊液中超声波振动不少于30min；所述的步骤(2，4，6，10)清洗时应采用去离子水或蒸馏水超声波清洗1～3次，所述的步骤(11)溶胶是指用有机溶剂超声波清洗1～3次。

2.根据权利要求1所述的硬质合金表面沉积CVD金刚石膜的梯度法预处理工艺，其特征是所述的步骤(3)刻蚀WC所采用的刻蚀溶液的配比为K₃[Fe(CN)₆]∶KOH∶H₂O＝1∶1∶10。

3.根据权利要求1所述的硬质合金表面沉积CVD金刚石膜的梯度法预处理工艺，其特征是所述的步骤(5)第一次刻蚀Co采用的刻蚀溶液的配比为HNO₃∶H₂O₂∶H₂O＝2∶1∶20。