CN105603386A - 一种微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法 - Google Patents

一种微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法，其特征在于，铣刀包括刃部和柄部，刃部直径范围为0.01～3.175mm；所述刃部表面具有纳米涂层，纳米金刚石颗粒直径范围为20-500nm；包括如下步骤：步骤一，涂层的预处理；步骤二，装入工装；步骤三，反应室加入气体；步骤四，沉积；步骤五，加热；步骤六，生成涂层；步骤七，成品清洁。本发明可在具有复杂形状外表面的硬质合金铣刀表面制备获得一层均匀连续的纳米CVD金刚石合涂层，使得刀具的加工寿命更长、加工质量更高，减少加工过程的换刀频率，提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法
技术领域
本发明属于一种微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法。
背景技术
化学气相沉积(ChemicalVaporDeposition，CVD)金刚石薄膜具有许多接近天然金刚石的优异性能，如硬度高、弹性模量大，摩擦系数低、耐磨性强以及表面化学性能稳定等。CVD金刚石薄膜的制备不受基体形状的制约，能够直接沉积在复杂形状基体的表面，因此，它非常适合作为耐磨、减摩以及保护性涂层材料应用于具有复杂形状的硬质合金整体式刀具外表面，达到提高刀具耐磨性、延长刀具使用寿命等目的。
对涂层刀具来说，CVD金刚石薄膜与刀具基体之间的附着强度以及薄膜的表面特性是影响其工作寿命及加工性能的决定性因素。根据薄膜表面质量和结构成分的不同，CVD金刚石薄膜可被分为微米金刚石薄膜(MicrocrystallineDiamondFilms，MCD)和纳米金刚石薄膜(NanocrystallineDiamondFilms，NCD)。MCD薄膜是由微米级柱状多晶金刚石晶粒组成的，具有非常优异的耐磨性，并且与刀具基体之间具有良好的附着强度，这能够大幅提高涂层刀具的工作寿命。然而，MCD薄膜表面的金刚石晶粒粗大、不均匀，薄膜表面较为粗糙，且无法进行表面抛光处理。在加工过程中，金刚石晶粒尖锐的棱角会导致加工过程中产生应力集中，造成金刚石晶粒沿晶界断裂，最终导致薄膜脱落而使刀具失效。此外，MCD粗糙的表面会导致刀具与工件材料接触时产生较大的磨损以及较高的切削力，从而影响涂层刀具的工作寿命。
与MCD薄膜相比，NCD薄膜的晶粒尺寸一般小于100nm，表面光滑平整，具有良好的表面质量，在获得了良好的膜-基附着强度的同时，有效降低了金刚石涂层的表面粗糙度，提高了涂层刀具的切削性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法。
本发明解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
一种微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法，其特征在于，铣刀包括刃部和柄部，刃部直径范围为0.01～3.175mm；所述刃部表面具有纳米涂层，纳米金刚石颗粒直径范围为20-500nm；包括如下步骤：
步骤一，刀具涂层的预处理，形成微孔结构，微孔结构的尺寸为20-200um；
步骤二，将微型铣刀装入工装中，再装入沉积反应室内；
步骤三，将沉积反应室抽真空，再向沉积反应室通入甲烷、氢气、氧气、氩气、乙烷等两种气体或多种气体的混合物；
步骤四，在沉积反应室中，沉积过程分为加热期、成核期、纳米涂层生长期、生长末期4个阶段，4个阶段采用不同的气相沉积条件；
步骤五，在沉积的加热器，反应腔体温度为500℃-1400℃；
步骤六，反应生成的金刚石涂层均匀包覆在铣刀刃部，厚度为20nm-100um；
步骤七，成品清洁，将完成涂层的刀具表面的可能残余的石墨用负压喷嘴吸除。
优选的，所述的微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法的步骤一中刀具表面经双氧水在20摄氏度至80摄氏度腐蚀10分钟至1小时，在硬质合金基体材料表面形成微孔，再在乙醇、异丙醇、甘油、丙酮一种或多种混合溶液中超声波清洗，在烘箱内100-120℃下烘干。
进一步地，优选的，所述的微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法的步骤二中反应室内利用热丝CVD在刀具刃部表层制备金刚石涂层，含碳气源CH4、C2H6，C3H8在高温下的真空腔体中分解离化后产生原子碳，含碳气源组成为甲烷、氢气和氮气的混合气体，其中CH4体积百分浓度为8%-13%，CH4/H2体积比为0.2-0.3，N2/H2体积比为0.2～0.4，反应压力为0.16-10kPa；同时，在沉积基体表面重新键合成纳米金刚石（100）或（111）晶相结构，并逐渐形成结晶的纳米金刚石涂层；
进一步地，优选的，所述的微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法的热丝CVD的温度1800-2000℃，基体温度为800-1000℃。
进一步地，优选的，所述的微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法的步骤三中甲烷、氢气及氧气的体积百分比为（0.01%～20%）∶（70%～99.99%）∶（0～20%）。
进一步地，优选的，所述的微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法的步骤五中加热器的加热丝选自钨铼合金丝或钽铌丝，加热丝的温度为1500～2500℃。
本发明采取了上述方案以后，可在具有复杂形状外表面的硬质合金铣刀表面制备获得一层均匀连续的纳米CVD金刚石合涂层，该纳米金刚石涂层具有优异的膜-基附着强度、光滑平整的表面质量、优异的耐磨减摩及自润滑特性，同时还具有内应力低、涂层厚度均匀等特点，从而让刀具不同位置的涂层厚度约为6～8μm。因此，在同等切削条件下，纳米金刚石涂层铣刀的工作寿命可比硬质合金铣刀提高8～10倍，在整个切削过程中涂层刀具表面无薄膜脱落现象，使得刀具的加工寿命更长、加工质量更高，减少加工过程的换刀频率，提高生产效率，降低生产成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
下面结合附图对本发明进行详细的描述，以使得本发明的上述优点更加明确。其中，
图1是本发明微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法的流程图；
图2是本发明微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法的反应室示意图；
图3是本发明微型铣刀纳米金刚石涂层的具体实施例1的工艺条件；
图4是本发明微型铣刀纳米金刚石涂层的具体实施例2的工艺条件。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施例1：
采用金刚石涂层设备进行制作，制备时，包括如下步骤：
步骤1．将复杂形状的微型铣刀1装入样品台2中；
步骤2．将装有微型铣刀1的样品台2装入沉积反应室3内；
步骤3．用真空泵4将沉积反应室3抽至真空状态；
步骤4．向沉积反应室3通入甲烷（CH4）、氢气（H2）及氧气（O2）3种气体；其中，通入的甲烷、氢气及氧气的体积比为（0.1%～10%）∶（90%～99.99%）∶（0%～5%）；
步骤5．由电源5向安装在沉积反应室3内的加热丝通入直流电弧；其中，加热为钨丝或钽丝；加热丝温度为2000～2100℃；施加的电弧电流180A；
步骤6．在沉积反应室3中，沉积过程分为加热期、成核期、纳米涂层生长期、生长末期4个阶段，4个阶段采用不同的气相沉积条件，沉积反应室的压力为1～10mbar；沉积时间为20h。
具体工艺条件如图3。
具体实施例2：
本发明的一种印制电路板钻孔用微型铣刀的金刚石复合涂层的制备方法，刀具直径8mm，刃长40mm，长度100mm，其不同之处在于：
步骤1．将复杂形状的微型铣刀1装入样品台2中；
步骤2．将装有微型铣刀1的样品台2装入沉积反应室3内；
步骤3．用真空泵4将沉积反应室3抽至真空状态；
步骤4．向沉积反应室通入甲烷CH4、氢气H2及氧气O2三种气体；其中，通入的甲烷、氢气及氧气的体积比为（0.1%～10%）∶（90%～99.99%）∶（0～6%）；
步骤5．向安装在沉积反应室内的钨丝通入直流电弧；其中，加热丝温度为2100～2200℃；施加的电弧电流为185A；
步骤6．在沉积反应室3中，沉积过程分为加热期、成核期、纳米涂层生长期、生长末期4个阶段，4个阶段采用不同的气相沉积条件，沉积反应室的压力为1～10mbar；沉积时间为16h。
具体工艺条件如图4。
本发明采取了上述方案以后，可在具有复杂形状外表面的硬质合金铣刀表面制备获得一层均匀连续的纳米CVD金刚石合涂层，该纳米金刚石涂层具有优异的膜-基附着强度、光滑平整的表面质量、优异的耐磨减摩及自润滑特性，同时还具有内应力低、涂层厚度均匀等特点，从而让刀具不同位置的涂层厚度约为6～8μm。因此，在同等切削条件下，纳米金刚石涂层铣刀的工作寿命可比硬质合金铣刀提高8～10倍，在整个切削过程中涂层刀具表面无薄膜脱落现象，使得刀具的加工寿命更长、加工质量更高，减少加工过程的换刀频率，提高生产效率，降低生产成本。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法，其特征在于，铣刀包括刃部和柄部，刃部直径范围为0.01～3.175mm；所述刃部表面具有纳米涂层，纳米金刚石颗粒直径范围为20-500nm；包括如下步骤：
步骤一，刀具涂层的预处理，形成微孔结构，微孔结构的尺寸为20-200um；
步骤二，将微型铣刀装入工装中，再装入沉积反应室内；
步骤三，将沉积反应室抽真空，再向沉积反应室通入甲烷、氢气、氧气、氩气、乙烷等两种气体或多种气体的混合物；
步骤四，在沉积反应室中，沉积过程分为加热期、成核期、纳米涂层生长期、生长末期4个阶段，4个阶段采用不同的气相沉积条件；
步骤五，在沉积的加热器，反应腔体温度为500℃-1400℃；
步骤六，反应生成的金刚石涂层均匀包覆在铣刀刃部，厚度为20nm-100um；
步骤七，成品清洁，将完成涂层的刀具表面的可能残余的石墨用负压喷嘴吸除。
2.根据权利要求1所述的微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤一中刀具表面经双氧水在20摄氏度至80摄氏度腐蚀10分钟至1小时，在硬质合金基体材料表面形成微孔，再在乙醇、异丙醇、甘油、丙酮一种或多种混合溶液中超声波清洗，在烘箱内100-120℃下烘干。
3.根据权利要求1所述的微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤二中反应室内利用热丝CVD在刀具刃部表层制备金刚石涂层，含碳气源CH4、C2H6，C3H8在高温下的真空腔体中分解离化后产生原子碳，含碳气源组成为甲烷、氢气和氮气的混合气体，其中CH4体积百分浓度为8%-13%，CH4/H2体积比为0.2-0.3，N2/H2体积比为0.2～0.4，反应压力为0.16-10kPa；同时，在沉积基体表面重新键合成纳米金刚石（100）或（111）晶相结构，并逐渐形成结晶的纳米金刚石涂层。
4.根据权利要求3所述的微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法，其特征在于，所述的热丝CVD的温度1800-2000℃，基体温度为800-1000℃。
5.根据权利要求1所述的微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤三中甲烷、氢气及氧气的体积百分比为（0.01%～20%）∶（70%～99.99%）∶（0～20%）。
6.根据权利要求1所述的微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤五中加热器的加热丝选自钨铼合金丝或钽铌丝，加热丝的温度为1500～2500℃。
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Application publication date: 20160525