CN107245692B

CN107245692B - 一种pvd涂层的硬质合金基体表面预处理方法

Info

Publication number: CN107245692B
Application number: CN201710379638.4A
Authority: CN
Inventors: 匡同春; 黎毓灵; 邓阳; 雷淑梅; 王毅; 陈灵; 周克崧; 曾德长
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2017-05-25
Filing date: 2017-05-25
Publication date: 2019-08-20
Anticipated expiration: 2037-05-25
Also published as: CN107245692A

Abstract

本发明公开了一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法。该方法首先将硬质合金基体分别采用各号金刚石磨盘研磨、抛光后超声清洗，热风吹干放入真空箱中备用；镀膜时取出，装入炉腔进行两次加热和三次抽真空处理后向炉内连续通入氩气，利用电弧辅助等离子体刻蚀技术对基体进行离子刻蚀清洗。本发明由于两次长时间的加热将腔室内水蒸气、易挥发杂质及基体表面气体排出。电弧辅助等离子体放电技术产生均匀低能的高密度等离子体对基体进行刻蚀清洗。本发明在不损伤基体的前提下显著减少了基体表面杂质及气体，提高了基体表面活性、粗糙度以及基体温度，去除基体表面脱钴产生的疏松层，细化基体表面晶粒尺寸，提高膜基结合力及PVD涂层质量。

Description

一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法

技术领域

本发明涉及材料表面加工领域，具体涉及一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法。

背景技术

PVD技术在20世纪初已开始应用，在之后的这些年里迅速发展，成为一门极具广阔应用前景的新技术。由于PVD技术沉积温度低、过程简单、无污染、成膜均匀致密等优点使其在刀具、模具、精密零件等工件表面处理方面应用越来越广泛。

硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，具有高硬度、高强度、良好的韧性、耐磨、耐热、耐腐蚀等一系列优点，被广泛用作刀具材料。涂层刀具已成为现代切削刀具的标志，在发达国家中，涂层刀具在刀具中的使用比例已超过80％。

附着性是涂层的重要性能之一。膜层和基体的界面结合力大小直接影响被涂层工件的使用效果和寿命以及被处理工件的工作可靠性。特别是一些特殊工况下的零件，差的结合力可能导致涂层直接脱落，因此附着性是制约薄膜材料实际应用的关键。基体表面清洁状态对附着力有很大影响。附着力是范德华力、扩散附着、机械锁和、静电力、化学键力等综合作用。表面不清洁使涂层不能直接与基体接触，大大减小了涂层与基体间的结合力。而且PVD工艺沉积温度较低，PVD涂层与基体的结合力通常都不太好。

目前常用的PVD涂层基体预处理方法是将基体抛光清洗后采用高能离子轰击基体表面。本方法在离子轰击之前增加了两次长时间的加热处理除去部分杂质以及吸附在基体表面的气体、有机物，并通过抽真空这个过程将加热蒸发出来的杂质排出腔室，抑制了涂层过程中氧化物的出现。

相比传统的离子清洗刻蚀，电弧辅助等离子体放电技术中，电弧靶正前方固定一块挡板，产生的电子由置于腔室内的阳极棒从挡板侧面拉出，充满整个腔室与通入腔室的高纯氩气碰撞，显著提高其离化率。该过程产生大量低能等离子体，使基体各部分得到均匀的刻蚀，避免了基体表面打弧和因高能离子轰击造成的损伤，产生“原子级微喷砂”的效果。

发明内容

本发明的目的在于优化传统待PVD涂层硬质合金基体的表面预处理方法，提供了一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法，该方法通过研磨抛光、超声波清洗、加热处理及电弧辅助等离子体放电技术对硬质合金基体表面进行一系列处理，使硬质合金基体表面保持一个合适的粗糙度和高度清洁，避免了对基体表面的损伤，提高样品表面活性和温度，细化基体表面晶粒尺寸，去除基体表面脱钴产生的疏松层，有效提高PVD涂层的附着力及质量，适用于待镀PVD涂层的硬质合金工件表面预处理。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法，包括如下步骤：

1)基体研磨抛光、超声波清洗：将硬质合金基体研磨后采用天然纤维抛光布配W3.5的金刚石抛光粉进行抛光，基体磨抛后浸入无水乙醇中，利用超声波清洗机进行超声清洗；

2)储存：超声清洗后，用热风吹干，再用试样袋封好，放入真空干燥箱中备用；

3)加热与抽真空：将基体从真空干燥箱中取出，装夹在三维可旋转形星架上，送入腔室，进行抽真空和加热处理；

4)等离子体刻蚀：向所述腔室通入高纯氩气，保持腔室的温度和气压恒定，基体加双极脉冲负偏压，保持电弧靶和阳极棒的电流恒定，进行电弧辅助等离子体刻蚀；

5)步骤4)完成后，调节红外加热管温度、腔室气压、基体偏压对基体进行原位PVD镀膜。

进一步地，在步骤1)中，所述研磨为将基体分别在240、400、800、1000、1200、1500磨粒粒度的金刚石磨盘上进行粗磨、细磨、精磨；所述超声清洗的温度为室温～40℃，时间为15～30min。

进一步地，在步骤2)中，所述真空干燥箱的真空度设置为0.1Pa以下。

进一步地，在步骤3)中，整个腔室采用分布在腔室后壁的红外加热管加热，腔室内的实际温度由腔室前侧热电偶测量，设置上、中、下三个位置。

进一步地，在步骤3)中，所述抽真空和加热包括以下具体步骤：将腔室真空度抽至4.0E-3Pa以下，加热管温度设置为400～600℃，加热时间设置为15～45min；再将腔室真空度抽至4.0E-3Pa以下，将加热管温度设置为400～600℃，保持15～30min；然后第三次将腔室真空度抽至4.0E-3Pa以下。

进一步地，在步骤4)中，电弧圆靶采用Ti靶，纯度达99％以上；电弧靶充当电子源，Ti离子由靶前档板过滤，电子在阳极棒的作用下进入并充满腔室。

进一步地，在步骤4)中，电弧靶电流设置为70～90A，阳极棒电流设置为低于电弧靶电流5～10A。

进一步地，在步骤4)中，放置基体的行星架接双极脉冲，负极脉冲为-300～-400V，正极脉冲为+20V，频率为15～20kHz，占空比为75～85％；行星架转速设置为2～6r/min。

进一步地，在步骤4)中，红外加热管温度设置为300～500℃，腔室气压设置为0.2～2.0Pa，氩气流量由气压控制。

进一步地，步骤4)中，所述电弧辅助等离子体刻蚀的时间为60～90min，基体进行电弧辅助等离子体刻蚀后粗糙度Ra值在0.4μm以下，适合PVD涂层对基体粗糙度的要求。

本发明通过磨抛、超声清洗、加热与低能高密度等离子体刻蚀相配合处理硬质合金基体表面。得到粗糙度合适、清洁度高、表面活性高的待涂层硬质合金基体表面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明通过前期研磨抛光与电弧辅助增强辉光放电技术相配合，使基体表面粗糙度保持在0.4μm以下，处于一个适合后续镀膜的粗糙度范围。

(2)本发明的两次长时间加热与真空处理，很大程度地消除了腔室及基体缝隙及表面的一些易挥发杂质，去除腔室水蒸气，避免了镀膜过程中氧化物的形成；同时提高了基体表面温度，提高涂层附着性能和质量。

(3)本发明的等离子体刻蚀阶段采用的是电弧技术。该过程中产生的低能高密度等离子体对基体产生一个清洗刻蚀的作用。等离子体密度和能量可根据基体不同进行调控，在维护基体表面不受损伤的前提下提高基体表面活性和温度，去除表面氧化皮，去除基体表面脱钴产生的疏松层，细化基体表面晶粒尺寸，产生“原子尺度的微喷砂”的效果，显著提高涂层附着性和综合性能。

附图说明

图1为实施例1中YG10X硬质合金基体经表面预处理后的SEM图谱。

图2为实施例1中YG10X硬质合金基体经表面预处理前后的XRD谱图。

图3为实施例2中YG10X硬质合金基体经表面预处理后制备的W-N涂层截面的SEM图谱。

图4为实施例2中YG10X硬质合金基体经表面预处理后制备的W-N涂层压痕结果图。

图5为实施例2中YG10X硬质合金基体经表面预处理后制备的W-N涂层划痕声信号。

图6为实施例3中YT14硬质合金基体表面经表面预处理后的SEM图谱。

具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此。

实施例1：YG10X硬质合金基体PVD涂层前表面预处理

1.磨抛与超声清洗：将YG10X硬质合金分别在240、400、800、1000、1200、1500磨粒粒度的金刚石磨盘上研磨，采用天然纤维抛光布配W3.5的金刚石抛光粉进行抛光至表面无划痕后在室温下用无水乙醇超声清洗15min。

2.加热处理：将YG10X硬质合金基体热风吹干后，装夹在行星架上，送入腔室。将腔室真空度抽至4.0E-3Pa，红外加热管温度设置为600℃，保持45min；加热后导致腔室真空度下降，通过分子泵将真空度再次抽至4.0E-3Pa；达到真空度后将加热管温度降至550℃，保持30min后进行第三次抽真空至真空度为4.0E-3Pa。

3.等离子体刻蚀：采用电弧辅助等离子体放电技术对YG10X硬质合金基体表面进行等离子体刻蚀；红外加热管温度设置为500℃，放置基体的行星架接双极脉冲，负极偏压为-300V，正极偏压为+20V，频率20kHz，占空比为80％；腔室气压设置为1Pa，氩气流量由气压控制；电弧靶电流设置为85A，阳极棒电流设置为75A，进行60min电弧辅助等离子体刻蚀。

YG10X硬质合金基体经上述表面处理后，粗糙度Ra值为0.22μm，低于0.4μm。图1为本实施例中YG10X硬质合金基体经表面预处理后的SEM图谱，二次电子模式，其放大倍数为5000，标尺为2μm。由图1可知，基体表面没有明显的划痕和杂质，有效去除了基体表面由脱钴造成的疏松层，观察到明显的碳化钨相和钴相；其XRD衍射峰出现一个明显的宽化，表明基体表面晶粒尺寸有所减小，如图2所示。

实施例2：YG10X硬质合金基体表面预处理后PVD镀膜处理

1.基体磨抛与超声清洗：同实施例1。

2.加热处理：同实施例1。

3.等离子体刻蚀：同实施例1。

4.PVD镀膜处理：等离子体刻蚀后向腔室内连续通入高纯N₂和高纯Ar，采用直流磁控溅射技术制备W-N硬质涂层：a)磁控靶采用矩形W靶，纯度达99％以上，靶功率设置为6kW；b)放置基体的行星架接直流电源负极，负偏压设置为-200V；c)氩气流量设置为120sccm，氮气流量设置为40sccm：d)红外加热管温度设定为600℃，涂层沉积时间为120min，在基体表面沉积W-N涂层。

图3为本实施例所得W-N涂层截面的SEM图谱，二次电子模式，其放大倍数为5000，标尺为2μm。由图3可见经表面预处理的YG10X硬质合金硬质膜界面结合紧密，没有明显的分层，结合处不存在杂质、气孔、裂纹等缺陷。靠近涂层的基体表层WC硬质相与Co粘结相分布均匀，没有脱Co产生的缺陷层。通过压痕实验发现PVD涂层与基体结合良好，压痕形貌如图4所示。采用尖端曲率半径R＝200μm的金刚石压头对PVD涂层进行划痕实验，图5为划痕声信号图，可见加载载荷0～100N的过程中，声信号没有出现明显的波动，表明膜基结合力优异，与压痕法结果一致。

实施例3：YT14硬质合金基体PVD涂层前的表面预处理

1.基体磨抛与超声清洗：磨抛与超声清洗：将YG10X硬质合金分别在240、400、800、1000、1200、1500磨粒粒度的金刚石磨盘上研磨，采用天然纤维抛光布配W3.5的金刚石抛光粉进行抛光至表面无划痕后在室温下用无水乙醇超声清洗30min。

2.加热处理：将YT14硬质合金基体热风吹干后，装夹在行星架上，送入腔室。将腔室真空度抽至4.0E-3Pa，红外加热管温度设置为600℃，保持15min；加热后导致腔室真空度下降，通过分子泵将真空度再次抽至4.0E-3Pa；加热管温度降至550℃，保持15min后进行第三次抽真空至真空度为4.0E-3Pa。

3.等离子体刻蚀：采用电弧辅助等离子体放电技术对基体表面进行等离子体刻蚀。红外加热管温度保持500℃；放置基体的行星架接双极脉冲电源，放置基体的行星架接双极脉冲，负极偏压为-400V，正极偏压为+20V，频率20kHz，占空比为80％；腔室气压设置为1Pa，氩气流量由气压控制；电弧靶电流控制在85A，阳极棒电流控制在80A，进行90min电弧辅助等离子体刻蚀。

表面预处理后YT14硬质合金基体表面粗糙度Ra值为0.19μm，低于0.4μm以下。由图6可知，基体表面没有明显的杂质，说明刻蚀有效去除了基体表面由脱钴造成的疏松层，观察到明显的碳化钨相和钴相；预处理前后YT14硬质合金基体表面硬度分别为1725.4HV_0.05和1863HV_0.05，经过一系列表面预处理后，表面硬度有所上升。

Claims

1.一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）基体研磨抛光、超声波清洗：将硬质合金基体研磨后采用天然纤维抛光布配W3.5的金刚石抛光粉进行抛光，基体磨抛后浸入无水乙醇中，利用超声波清洗机进行超声清洗；

2）储存：超声清洗后，用热风吹干，再用试样袋封好，放入真空干燥箱中备用；

3）加热与抽真空：将基体从真空干燥箱中取出，装夹在三维可旋转形星架上，送入腔室，进行抽真空和加热处理；

4）等离子体刻蚀：向所述腔室通入高纯氩气，保持腔室的温度和气压恒定，基体加双极脉冲负偏压，保持电弧靶和阳极棒的电流恒定，进行电弧辅助等离子体刻蚀；

5）步骤4）完成后，调节红外加热管温度、腔室气压、基体偏压对基体进行原位PVD镀膜；

在步骤3）中，所述抽真空和加热包括以下具体步骤：将腔室真空度抽至4.0E-3Pa以下，红外加热管温度设置为400~600℃，加热时间设置为15~45min；再将腔室真空度抽至4.0E-3Pa以下，将红外加热管温度设置为400~600℃，保持15~30min；然后第三次将腔室真空度抽至4.0E-3Pa以下；

在步骤4）中，电弧靶电流设置为70~90A，阳极棒电流设置为低于电弧靶电流5~10A；

在步骤4）中，放置基体的行星架接双极脉冲，负极脉冲为-300~-400V，正极脉冲为+20V。

2.根据权利要求1所述的一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法，其特征在于，在步骤1）中，所述研磨为将基体分别在240、400、800、1000、1200、1500磨粒粒度的金刚石磨盘上进行粗磨、细磨、精磨；所述超声清洗的温度为室温~40℃，时间为15~30min。

3.根据权利要求1所述的一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法，其特征在于，在步骤2）中，所述真空干燥箱的真空度设置为0.1Pa以下。

4.根据权利要求1所述的一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法，其特征在于，在步骤3）中，整个腔室采用分布在腔室后壁的红外加热管加热，腔室内的实际温度由腔室前侧热电偶测量，设置上、中、下三个位置。

5.根据权利要求1所述的一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法，其特征在于，在步骤4）中，电弧圆靶采用Ti靶，纯度达99%以上；电弧靶充当电子源，Ti离子由靶前档板过滤，电子在阳极棒的作用下进入并充满腔室。

6.根据权利要求1所述的一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法，其特征在于，在步骤4）中，频率为15~20kHz，占空比为75~85%；行星架转速设置为2~6r/min。

7. 根据权利要求1所述的一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法，其特征在于，在步骤4）中，红外加热管温度设置为300~500℃，腔室气压设置为0.2~2.0 Pa，氩气流量由气压控制。

8.根据权利要求1所述的一种PVD涂层的硬质合金基体表面预处理方法，其特征在于，步骤4）中，所述电弧辅助等离子体刻蚀的时间为60~90min，基体进行电弧辅助等离子体刻蚀后粗糙度Ra值在0.4µm以下。