CN102248187A

CN102248187A - 金刚石涂层硬质合金刀具及其制备方法

Info

Publication number: CN102248187A
Application number: CN 201110147192
Authority: CN
Inventors: 唐杰; 罗春峰; 屈建国; 陈成
Original assignee: Shenzhen Jinzhou Precision Technology Corp
Current assignee: Shenzhen Jinzhou Precision Technology Corp
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明公布了一种金刚石涂层硬质合金刀具及其制备方法，其中刀具包括：刀具基体和设置在该刀具基体表面的金刚石涂层，在所述刀具基体上设有过渡层。其中制备方法包括：基体预处理步骤和金刚石金刚石沉积步骤；所述预处理步骤包括在基体上形成过渡层。该刀具能在避免钴元素对金刚石涂层的不利影响的同时兼顾刀具基体本身的强度。

Description

金刚石涂层硬质合金刀具及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种刀具的制备方法，尤其是涉及一种金刚石涂层硬质合金刀具及其制备方法。

背景技术

在硬质合金刀具基体上沉积金刚石的一大难点就是钴(Co)的存在。由于碳(C)在钴(Co)中的溶解性大、扩散系数高，不利于金刚石形核，会促进石墨相的形成，严重影响涂层结合力，造成涂层生长困难和涂层易脱落。

目前常见的解决途径是在涂层前对刀具基体进行化学蚀钴(Co)处理。化学蚀钴(Co)的方法是利用化学试剂对硬质合金刀具基体进行蚀钴(Co)处理，去除表面钴(Co)元素，能够有效避免钴(Co)元素对金刚石形核及生长的影响。但该方式应用在硬质合金刀具上时存在较大缺陷，主要表现为表面蚀钴(Co)之后刀具基体强度大幅度下降，应用在微型硬质合金刀具上时由于强度的下降造成刀具极易断刀，严重影响了金刚石涂层微型刀具的使用性能。

因此，还需进一步的改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能金刚石涂层硬质合金刀具及其制备方法，该刀具能在消除钴元素对金刚石涂层的不利影响的同时兼顾刀具基体本身的强度。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种金刚石涂层硬质合金刀具，包括：刀具基体和设置在该刀具基体表面的金刚石涂层，在所述刀具基体上设有过渡层。

还提供一种金刚石涂层硬质合金刀具的制备方法，包括：基体预处理步骤和金刚石沉积步骤；所述预处理步骤包括在刀具基体上形成过渡层。

本发明旨在进行金刚石涂层前，在刀具基体上制备过渡层，实现在不影响刀具本身强度的情况下有效阻止钴(Co)元素扩散，避免钴(Co)元素造成金刚石涂层形核及生长困难，从而达到获取高质量金刚石涂层的目的。采用过渡层的预处理方法由于不去除硬质合金的粘结相——钴(Co)，因此对刀具本身强度不会有影响。

附图说明

图1是第一种实施方式金刚石涂层硬质合金刀具制备方法的流程图；

图2是第一种实施方式金刚石涂层硬质合金刀具的放大示意图；

图3是第二种实施方式金刚石涂层硬质合金刀具制备方法的流程图；

图4是第二种实施方式金刚石涂层硬质合金刀具的放大示意图；

图5是第三种实施方式金刚石涂层硬质合金刀具制备方法的流程图；

图6是第三种实施方式金刚石涂层硬质合金刀具的放大示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明在进行金刚石涂层前，在刀具基体上制备过渡层，有两种途径实现：离子注入和物理气相沉积。过渡层预处理手段进行金刚石涂层流程可为三个途径：第一，离子注入-过渡层质量检验-金刚石涂层制备；第二，物理气相沉积过渡层-过渡层质量检验-金刚石涂层制备；第三，离子注入-物理气相沉积过渡层-过渡层质量检验-金刚石涂层制备。

第一实施方式包括以下步骤，如图1所示：

110、离子注入；

采用设备：高功率离子注入机；

真空度：1.0E-4～9.0E-2pa，优选1.3E-3pa；

离子注入能量：20～400kev，例如，58kev、96kev、134kev、172kev、210kev、248kev、286kev、300kev、324kev、362kev；刀具基体要求：注入前最好进行高度清洁、脱脂，利于离子注入步骤的进行；注入过程中要求旋转和换位，均匀的进行表面离子注入。

注入时间：不同材料注入速率、束流及能量不同，注入时间以过渡层达到后续检验要求为准。

注入材料：非金属材料-硅(Si)、硼(B)、磷(P)、氮(N)以及金属材料-钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、锡(Sn)、铬(Cr)、镍(Ni)。

硅(Si)离子注入硬质合金可改变刀具基体表面成分，降低钴(Co)元素蒸汽压，起到阻隔钴(Co)渗出影响金刚石形核，并且硅(Si)单质表面更易于金刚石形核和生长。硅离子的注入使硬质合金的部分WC共价键断裂，局部形成碳(C)元素富集，形成部分的碳化硅(SiC)，化合物的形成对于过渡层与刀具基体的结合比较有利。

硼(B)、磷(P)离子注入硬质合金刀具基体材料均易与钴(Co)元素形成稳定化合物，从而很大程度上降低了钴(Co)元素对金刚石形核的影响。

氮(N)离子注入采用气体作为激发材料产生等离子体，经高压场(如40kv以上)加速注入硬质合金刀具基体表面，针对不同钴含量硬质合金材料，适当控制注入量，实现硬质合金刀具基体表面改性。

金属材料注入可达到改变表面成分，降低钴(Co)元素蒸汽压，同时金属元素良好的粘结性和韧性更适宜于作为过渡层的应用。

金属元素中，钼(Mo)和钨(W)元素表面金刚石形核率相对较高，有效注入硬质合金刀具基体表面后在起到降低钴(Co)元素影响的同时，更有利于金刚石形核及生长，是作为注入材料的优选材料。

以上材料采用离子注入的方式能够对硬质合金刀具基体材料表面进行表面改性，改性机理各异，根据后续金刚石涂层需求，注入深度均需至少达到20nm以上，以确保阻止钴元素对金刚石形核不利影响的持续有效性，避免在沉积金刚石时深层钴元素渗透出表面改性层，从而在沉积后期对金刚石涂层造成破坏性影响。

离子注入可有效改变硬质合金刀具基体表面组织结构及元素种类和含量，部分形成钴(Co)的化合物，降低钴(Co)元素的百分比，大大降低钴(Co)的蒸气压，减少钴(Co)的扩散及对金刚石涂层的不利影响。同时，离子注入过程中，高能离子高速撞击刀具基体表面，对表面残余杂质有一定的溅射作用，起到表面清洁作用，这对下一步涂层与刀具基体的结合力提高非常有利。

120、过渡层质量检验；

刀具样品刃口无超标缺口，表面无明显缺陷；

检测离子注入深度，需达到20nm以上，例如22nm、24nm、26nm、28nm、30nm、32nm、34nm、36nm、38nm、40nm；

利用能谱检测刀具基体表面钴(Co)元素含量及分布情况，以降至0.1％以下为理想情况，该步骤在刀具基体上形成离子注入过渡层，见图2。

130、金刚石涂层制备。

金刚石涂层制备可采用热丝CVD(Chemical Vapor Deposition，化学气相沉积)法、微波等离子法等。利用合理的工艺在微型硬质合金刀具表面过渡层上制备高质量金刚石涂层，涂层结构如图2。

第二实施方式包括以下步骤，如图3所示：

210、物理气相沉积过渡层；

采用设备：磁控溅射设备、磁过滤等离子体沉积设备等物理气相沉积设备；

过渡层材料：碳化硅(SiC)、氮化硅(Si₃N₄)、碳化钨(WC)、钼(Mo)、钨(W)；碳化硅(SiC)、四氮化三硅(Si₃N₄)、碳化钨(WC)等化合物、钼(Mo)、钨(W)金属单质是比较理想的硬质合金刀具金刚石涂层前过渡层物质。热膨胀系数均介于金刚石(3.1×10-6)与硬质合金(4.5～7.1×10-6)之间，作为中间衔接层，相当于减小了金刚石涂层与刀具基体之间热膨胀系数的差异，有利于提高二者的结合力，有效降低涂层脱落的风险。较高的导热系数有助于减少热量积累，减少热应力的产生，对于后期金刚石成膜及提高金刚石膜质量有着良好的促进作用。

真空度：1.0E-4～9.0E-2pa，优选1.3E-3pa；

刀具基体要求：注入前必须进行高度清洁、脱脂；注入过程中要求旋转和换位，均匀的进行表面涂层沉积；

涂层厚度：要求达到1～3um，例如，1.2um、1.4um、1.6um、1.8um、2.0um、2.2um、2.4um、2.6um、2.8um，优选为3.0um。

220、过渡层质量检验；

刀具样品刃口无超标缺口、表面明显缺陷；

检测涂层表面质量，无粗大颗粒等缺陷，无开裂及脱落等现象，是否完全覆盖刀具工作部分；

检测涂层厚度，是否达到1～3um，且径向、轴向厚度均匀；该步骤在刀具基体表面形成物理气相沉积过渡层，见图4。

230、金刚石涂层制备。

金刚石涂层制备可采用热丝CVD法、微波等离子法等。利用合理的工艺在微型硬质合金刀具表面过渡层上制备高质量金刚石涂层，涂层结构如图4。

第三实施方式包括以下步骤，如图5所示：

310、离子注入

采用设备：高功率离子注入机；

注入材料：非金属材料：硅(Si)、硼(B)、磷(P)、氮(N)以及金属材料：W(钨)、Ti(钛)、Mo(钼)、Sn(锡)、Cr(铬)、Ni(镍)；

真空度：1.0E-4～9.0E-2pa，优选1.3E-3pa；

离子注入能量：20～400kev，例如，58kev、96kev、134kev、172kev、210kev、248kev、286kev、300kev、324kev、362kev；

刀具基体要求：注入前必须进行高度清洁、脱脂；注入过程中要求旋转和换位，均匀的进行表面离子注入；

该步骤在刀具基体上形成离子注入过渡层，见图6。

320、物理气相沉积过渡层；

过渡层材料：碳化硅(SiC)、四氮化三硅(Si₃N₄)、碳化钨(WC)、钼(Mo)、钨(W)；

真空度：1.0E-4～9.0E-2pa，优选1.3E-3pa；

该步骤在刀具基体表面形成物理气相沉积过渡层，见图6。

330、过渡层质量检验；

刀具样品刃口无超标缺口，表面无明显缺陷；

检测涂层表面质量，无粗大颗粒等缺陷，无开裂及脱落现象，是否完全覆盖刀具工作部分；

检测涂层厚度，是否达到1～3um，且径向、轴向厚度均匀；涂层厚度例如，1.2um、1.4um、1.6um、1.8um、2.0um、2.2um、2.4um、2.6um、2.8um，优选为3.0um。

340、金刚石涂层制备。

金刚石涂层制备可采用热丝CVD法、微波等离子法等。利用合理的工艺在微型硬质合金刀具表面过渡层上制备高质量金刚石涂层，涂层结构如图6。

通过这三种途径进行刀具基体过渡层预处理，可以基本消除钴(Co)元素不利影响，生长出高质量的金刚石涂层，涂层结合力及硬度方面均达到很高的水平，同时保持了刀具基体原有的强度，抗断刀性能远远优于化学蚀钴(Co)处理的金刚石涂层刀具。

本发明还提供一种金刚石涂层硬质合金刀具，包括：刀具基体和设置在该刀具基体表面的金刚石涂层，在所述刀具基体和该金刚石涂层之间设置过渡层。

第一种实施方式，见图2，所述过渡层的材料是以下材料之一：硅(Si)、硼(B)、磷(P)、氮(N)、钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、锡(Sn)、铬(Cr)或镍(Ni)。该实施方式中的刀具基体表面形成离子注入过渡层。

第二种实施方式，见图4，所述过渡层的材料是以下材料之一：碳化硅(SiC)、四氮化三硅(Si₃N₄)、碳化钨(WC)、钼(Mo)或钨(W)。该实施方式中的刀具基体表面形成物理气相沉积过渡层。

第三种实施方式，见图6，所述过渡层有两层，第一层的材料是以下材料之一：硅(Si)、硼(B)、磷(P)、氮(N)、钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、锡(Sn)、铬(Cr)或镍(Ni)。该过渡层是形成在刀具基体上的离子注入过渡层。第二层的材料是以下材料之一：碳化硅(SiC)、四氮化三硅(Si₃N₄)、碳化钨(WC)、钼(Mo)或钨(W)。该过渡层是在刀具基体表面形成物理气相沉积过渡层。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种金刚石涂层硬质合金刀具，包括：刀具基体和设置在该刀具基体表面的金刚石涂层，其特征在于，在所述刀具基体上设有过渡层。

2.根据权利要求1所述的金刚石涂层硬质合金刀具，其特征在于，所述过渡层的材料是以下第一组材料之一和/或第二组材料之一；第一组材料：硅(Si)、硼(B)、磷(P)、氮(N)、钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、锡(Sn)、铬(Cr)、镍(Ni)；第二组材料：碳化硅(SiC)、四氮化三硅(Si₃N₄)、碳化钨(WC)、钼(Mo)、钨(W)。

3.一种金刚石涂层硬质合金刀具的制备方法，包括：基体预处理步骤和金刚石沉积步骤；其特征在于：所述预处理步骤包括在刀具基体上形成过渡层。

4.根据权利要求3所述的金刚石涂层硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述过渡层是采用离子注入方式形成于所述刀具基体上，所述过渡层的材料是硅(Si)、硼(B)、磷(P)、氮(N)、钨(W)、钛(Ti)、钼(Mo)、锡(Sn)、铬(Cr)、镍(Ni)之一。

5.根据权利要求4所述的金刚石涂层硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述离子注入方式的真空度为1.0E-4～9.0E-2pa，离子注入能量为20～400kev。

6.根据权利要求5所述的金刚石涂层硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述预处理步骤还包括过渡层质量检验，检验标准包括：离子注入深度需达到20nm以上；刀具基体表面钴(Co)元素含量降至0.1％以下。

7.根据权利要求3或4所述的金刚石涂层硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述过渡层的材料是碳化硅(SiC)、四氮化三硅(Si₃N₄)、碳化钨(WC)、钼(Mo)、钨(W)之一，所述过渡层采用物理气相沉积方式形成于刀具基体上。

8.根据权利要求7所述的金刚石涂层硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积方式的真空度：1.0E-4～9.0E-2pa，涂层厚度要求达到1～3um。

9.根据权利要求8所述的金刚石涂层硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述预处理步骤还包括过渡层质量检验，检验标准包括：检测涂层厚度，是否达到1～3um，且径向、轴向厚度均匀。

10.根据权利要求3所述的金刚石涂层硬质合金刀具的制备方法，其特征在于，所述基体预处理步骤包括：在所述形成过渡层之前对所述刀具基体进行高度清洁、脱脂。