CN107326339B - 一种合金刀具表面金刚石梯度膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种合金刀具表面金刚石梯度膜及其制备方法，所述的金刚石梯度膜包括若干层微米晶金刚石薄膜和一层纳米晶金刚石薄膜，刀具基体表面向外依次为若干层微米晶金刚石薄膜和一层纳米晶金刚石薄膜，且各层金刚石膜晶粒尺寸由内向外依次减小。制备方法包括以下步骤：取合金刀具，对基体进行预处理后，置于金刚石悬浮液中进行道具表面接种处理，接种处理后取出，进行干燥处理；将干燥处理后的刀具基体置于热丝化学气相沉积设备的真空腔室内，在所述的刀具基体表面依次沉积生长若干层微米晶金刚石薄膜和一层纳米晶金刚石薄膜。该方法制备的金刚石梯度模晶粒结构均匀变化，内应力小，金刚石薄膜与合金刀具基体的结合强度高，刀具工作寿命大幅提高。

Description

一种合金刀具表面金刚石梯度膜及其制备方法
技术领域：
本发明属于刀具涂层技术领域，具体涉及一种合金刀具表面金刚石梯度膜及其制备方法。
背景技术：
热丝化学气相沉积(HFCVD)金刚石薄膜对生长参数的要求相对宽松，也可以实现复杂刀具表面基体金刚石的沉积。因此，HFCVD金刚石薄膜适合作为抗拉强度低、高脆性的脆硬材料切削刀具的涂层材料。以达到与脆硬材料间弱粘附性，具有优异的机械及摩擦学性能，有效延缓切削刃的磨损失效，提升高钴硬质合金刀具耐用度的目的。
随着金刚石薄膜的不断研究，目前所研究的多层金刚石薄膜多是微米金刚石薄膜、纳米金刚石薄膜与超细纳米金刚石薄膜作为多层结构的薄膜。具体的如中国专利CN105483644 A中，制备一种至少一复合金刚石涂层结构单元，该结构单元由微米晶金刚石涂层和依次生长在所述微米晶金刚石涂层表面的纳米晶金刚石涂层和超细纳米晶金刚石涂层。
再如中国专利CN 1528947 A中，采用微波化学复合技术对刀具基体进行脱钻、脱碳及粗化预处理，再通过改变电子增强热丝CVD纳米金刚石复合涂层的工艺条件，在已经生长的微米金刚石涂层上再原位生长一层纳米级金刚石涂层。一般来说，这些多层的金刚石涂层的结构和成分并不是均匀变化的，在疲劳应力作用下会被破坏。
发明内容：
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，解决现有多层的金刚石涂层的结构和成分不是均匀变化的，在疲劳应力作用下会被破坏的问题，提供一种合金刀具表面金刚石梯度膜及其制备方法，该方法制备的金刚石薄膜呈现均匀变化的结构和成分，减少内应力，增强金刚石薄膜与合金刀具基体的结合强度。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种合金刀具表面金刚石梯度膜，所述的金刚石梯度膜包括若干层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，刀具基体表面向外依次为若干层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，且各层金刚石膜晶粒尺寸由内向外呈梯度依次减小。
所述的微米晶金刚石薄膜层数为3～5层，所述的微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸为1～5um。
所述的纳米晶金刚石薄膜晶粒尺寸为10～100nm。
所述的微米晶金刚石薄膜层数为3层，所述的3层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为3～5um，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为2～3um，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为1～2um。
所述的微米晶金刚石薄膜层数为4层，所述的4层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为4～5um，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为3～4um，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为2～3um，第4层金刚石薄膜晶粒尺寸为1～2um。
所述的微米晶金刚石薄膜层数为5层，所述的5层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为4～5um，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为3～4um，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为2～3um，第4层金刚石薄膜晶粒尺寸为1.5～2um；第5层金刚石薄膜晶粒尺寸为1～1.5um。
所述的合金刀具表面金刚石梯度膜采用HFCVD法制备，制备方法包括以下步骤：
(1)取合金刀具，对基体进行预处理后，置于金刚石悬浮液中进行道具表面接种处理，接种处理后取出，进行干燥处理；
(2)将干燥处理后的刀具基体置于热丝化学气相沉积设备的真空腔室内，在所述的刀具基体表面依次沉积生长若干层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜。
所述的步骤(1)中，合金刀具基体预处理方法为酸碱两步法。
所述的步骤(1)中，金刚石悬浮液参数：金刚石悬浮颗粒占所述金刚石悬浮溶液总质量的10～20％。
所述的步骤(2)中，所述的微米晶金刚石薄膜的层数为3～5层，沉积所述的3～5层微米晶金刚石薄膜与1层纳米晶金刚石薄膜的工艺条件为：真空室气压为3～5kPa，加热温度2000～2600℃，基底温度750～850℃，甲烷浓度为1～5％，气流量400～800sccm，加热丝与基底上表面间距8～12mm，相邻加热丝排布间距为5～20mm，且甲烷浓度随着金刚石薄膜层的沉积呈递增趋势。
所述的步骤(2)中，所述的微米晶金刚石薄膜的层数为3层，其中：
沉积所述的第1层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C1为：1％≤C1＜1.5％；
沉积所述的第2层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C2为：1.5％≤C2＜2％；
沉积所述的第3层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C3为：2％≤C3＜3％；
沉积所述的第4层纳米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C4为：3％≤C4≤5％。
所述的步骤(2)中，所述的微米晶金刚石薄膜的层数为4层，其中：
沉积所述的第1层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C1为：1％≤C1＜1.3％；
沉积所述的第2层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C2为：1.3％≤C2＜1.5％；
沉积所述的第3层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C3为：1.5％≤C3＜2％；
沉积所述的第4层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C4为：2％≤C4＜3％；
沉积所述的第5层纳米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C5为：3％≤C5≤5％。
所述的步骤(2)中，所述的微米晶金刚石薄膜的层数为5，其中：
沉积所述的第1层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C1为：1％≤C1＜1.3％；
沉积所述的第2层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C2为：1.3％≤C2＜1.5％；
沉积所述的第3层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C3为：1.5％≤C3＜2％；
沉积所述的第4层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C4为：2％≤C4＜2.5％；
沉积所述的第5层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C5为：2.5％≤C5＜3％；
沉积所述的第6层纳米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C6为：3％≤C6≤5％。
本发明的有益效果：
与现有技术相比，一般来说，本发明的金刚石梯度薄膜呈现均匀变化的晶粒结构，内应力较小，金刚石薄膜与高钴硬质合金刀具基体的结合强度高。
(1)采用本发明的方法可在合金刀具表面制备获得晶粒尺寸不断减小的金刚石梯度膜，该金刚石梯度薄膜呈现均匀变化的晶粒结构，内应力较小，金刚石薄膜与合金刀具基体的结合强度高；
(2)在同等使用条件下，采用本发明的方法在合金刀具表面制备的金刚石梯度膜，能够使刀具的工作寿命与同等条件下无金刚石梯度膜的合金刀具相比提高10～20倍，在合金刀具使用过程中，涂层刀具表面不会出现薄膜脱落现象，表现出良好的膜基附着强度。
附图说明：
图1为本发明实施例1～2制备的金刚石梯度膜的结构示意图；
其中：1-第1层微米晶金刚石薄膜，2-第2层微米晶金刚石薄膜，3-第3层微米晶金刚石薄膜，4-第4层纳米晶金刚石薄膜，A-基体。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
以下实施例中合金刀具以高钴硬质合金(YG8)球头整体式铣刀为例，在该铣刀基体表面沉积金刚石梯度膜，该刀具直径6mm，刃长40mm，长度75mm；
本实施例中：
Murakami溶液的成分为氢氧化钾(KOH)、铁氰化钾(K3Fe(CN)6))、水的混合碱溶液，其体积配比为1:1:20；
混合酸溶液的成分为硫酸(H2SO4)和双氧水(H2O2)，其体积配比为1:10；
金刚石悬浮液参数：金刚石悬浮颗粒占所述金刚石悬浮溶液总质量的10～20％。
实施例1
一种高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜，所述的金刚石梯度膜包括3层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，刀具基体表面向外依次为3层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，且各层金刚石膜晶粒尺寸由内向外呈梯度依次减小；其中：
所述的3层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为3～4um，平均粒径为3.7um，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为2.2～3um，平均粒径为2.5um，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为1～1.5um，平均粒径为1.2um；
所述的纳米晶金刚石薄膜为第4层金刚石薄膜，所述的纳米晶金刚石薄膜晶粒尺寸为10～80nm，平均粒径为50nm；
所述的金刚石薄膜总厚度为3.5um；
所述的高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜结构示意图如图1所示，制备方法包括以下步骤：
(1)取高钴硬质合金球头铣刀，对铣刀刀刃进行酸碱两步法预处理，具体过程为：将高钴硬质合金球头铣刀的刀刃部分置于丙酮、酒精溶液中超声清洗3分钟，干燥后放入Murakami溶液中浸泡10～15min，去除刀具基体A表面的碳化钨颗粒使刀具基体A表面的钴暴露出来，取出刀具用酒精清洗后，干燥，再置于混合酸溶液中进行1min的刻蚀以去除其表层的钻元素；最后，将经过酸碱预处理的高钴硬质合金刀具置于丙酮溶液中进行5分钟的超声清洗，以去除刀具基体A表面的酸碱残余物质以及气体杂质；
(2)基体A进行酸碱预处理后，取出置于金刚石悬浮液中进行基体A表面接种处理，接种处理后取出，进行超声20分钟的干燥处理；
(3)将干燥处理后的刀具基体A置于热丝化学气相沉积设备的真空腔室内，在所述的刀具基体A表面依次沉积生长3层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜；生长第1层微米晶金刚石薄膜的工艺条件为：真空室气压为3～5kPa，加热温度2000～2600℃，基底温度750～850℃，甲烷浓度C为1.4％，气流量400～800sccm，加热丝与基底上表面间距8～12mm，相邻加热丝排布间距为5～20mm，沉积3h后，完成第1层微米晶金刚石薄膜沉积，获得尺寸为3～4um，平均粒径为3.7um的第1层微米晶金刚石薄膜1；
(4)将甲烷浓度调整为1.9％，其余参数不变，进行第2层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积3h后，完成第2层微米晶金刚石薄膜沉积，获得尺寸为2.2～3um，平均粒径为2.5um的第2层微米晶金刚石薄膜2；
(5)将甲烷浓度调整为2.9％，其余参数不变，进行第3层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积2h后，完成第3层微米晶金刚石薄膜沉积，尺寸为1～1.5um，平均粒径为1.2um的第3层微米晶金刚石薄膜3；
(6)将甲烷浓度调整为5％，其余参数不变，进行第4层纳米晶金刚石薄膜沉积，沉积2h后，完成第4层纳米晶金刚石薄膜沉积，获得尺寸为10～80nm，平均粒径为50nm的第4层纳米晶金刚石薄膜4；
(7)将机械泵关闭，随腔室冷却30分钟后将刀具取出，高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜制备完成。
实施例2
一种高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜，所述的金刚石梯度膜包括3层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，刀具基体表面向外依次为3层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，且各层金刚石膜晶粒尺寸由内向外呈梯度依次减小；其中：
所述的3层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为4～5um，平均粒径为4.5um，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为2～3um，平均粒径为2.8um，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为1.5～2um，平均粒径为1.9um；
所述的纳米晶金刚石薄膜为第4层金刚石薄膜，所述的纳米晶金刚石薄膜晶粒尺寸为50～100nm，平均粒径为80nm；
所述的金刚石薄膜总厚度为3.6um；
所述的高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜结构示意图如图1所示，制备方法包括以下步骤：
(1)取高钴硬质合金球头铣刀，对铣刀刀刃进行酸碱两步法预处理，具体过程为：将高钴硬质合金球头铣刀的刀刃部分置于丙酮、酒精溶液中超声清洗3分钟，干燥后放入Murakami溶液中浸泡10～15min，去除刀具基体A表面的碳化钨颗粒使刀具基体A表面的钴暴露出来，取出刀具用酒精清洗后，干燥，再置于混合酸溶液中进行1min的刻蚀以去除其表层的钻元素；最后，将经过酸碱预处理的高钴硬质合金刀具置于丙酮溶液中进行5分钟的超声清洗，以去除刀具基体A表面的酸碱残余物质以及气体杂质；
(2)基体A进行酸碱预处理后，取出置于金刚石悬浮液中进行基体A表面接种处理，接种处理后取出，进行超声20分钟的干燥处理；
(3)将干燥处理后的刀具基体A置于热丝化学气相沉积设备的真空腔室内，在所述的刀具基体A表面依次沉积生长3层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜；生长第1层微米晶金刚石薄膜的工艺条件为：真空室气压为3～5kPa，加热温度2000～2600℃，基底温度750～850℃，甲烷浓度C为1％，气流量400～800sccm，加热丝与基底上表面间距8～12mm，相邻加热丝排布间距为5～20mm，沉积3.2h后，完成第1层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为4～5um，平均粒径为4.5um的第1层微米晶金刚石薄膜1；
(4)将甲烷浓度调整为1.5％，其余参数不变，进行第2层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积3.2h后，完成第2层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为2～3um，平均粒径为2.8um的第2层微米晶金刚石薄膜2；
(5)将甲烷浓度调整为2％，其余参数不变，进行第3层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积2.3h后，完成第3层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为1.5～2um，平均粒径为1.9um的第3层微米晶金刚石薄膜3；
(6)将甲烷浓度调整为3％，其余参数不变，进行第4层纳米晶金刚石薄膜沉积，沉积2.2h后，完成第4层纳米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为50～100nm，平均粒径为80nm的第4层纳米晶金刚石薄膜4；
(7)将机械泵关闭，随腔室冷却30分钟后将刀具取出，高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜制备完成。
实施例3
一种高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜，所述的金刚石梯度膜包括4层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，刀具基体表面向外依次为4层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，且各层金刚石膜晶粒尺寸由内向外呈梯度依次减小；其中：
所述的3层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为4～5um，平均粒径为4.3um，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为3～3.8um，平均粒径为3.7um，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为2.2～3um，平均粒径为2.5um，第4层金刚石薄膜晶粒尺寸为1～1.5um，平均粒径为1.2um，所述的纳米晶金刚石薄膜为第5层金刚石薄膜，所述的纳米晶金刚石薄膜晶粒尺寸为10～80nm，平均粒径为50nm；
所述的金刚石薄膜总厚度为3.8um；
所述的高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜，制备方法包括以下步骤：
(1)取高钴硬质合金球头铣刀，对铣刀刀刃进行酸碱两步法预处理，具体过程为：将高钴硬质合金球头铣刀的刀刃部分置于丙酮、酒精溶液中超声清洗3分钟，干燥后放入Murakami溶液中浸泡10～15min，去除刀具基体A表面的碳化钨颗粒使刀具基体A表面的钴暴露出来，取出刀具用酒精清洗后，干燥，再置于混合酸溶液中进行1min的刻蚀以去除其表层的钻元素；最后，将经过酸碱预处理的高钴硬质合金刀具置于丙酮溶液中进行5分钟的超声清洗，以去除刀具基体A表面的酸碱残余物质以及气体杂质；
(2)基体A进行酸碱预处理后，取出置于金刚石悬浮液中进行基体A表面接种处理，接种处理后取出，进行超声20分钟的干燥处理；
(3)将干燥处理后的刀具基体A置于热丝化学气相沉积设备的真空腔室内，在所述的刀具基体A表面依次沉积生长4层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜；生长第1层微米晶金刚石薄膜的工艺条件为：真空室气压为3～5kPa，加热温度2000～2600℃，基底温度750～850℃，甲烷浓度C为1.2％，气流量400～800sccm，加热丝与基底上表面间距8～12mm，相邻加热丝排布间距为5～20mm，沉积3.5h后，完成第1层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为4～5um，平均粒径为4.3um的第1层微米晶金刚石薄膜；
(4)将甲烷浓度调整为1.4％，其余参数不变，进行第2层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积3h后，完成第2层微米晶金刚石薄膜沉积，获得尺寸为3～3.8um，平均粒径为3.7um的第2层微米晶金刚石薄膜；
(5)将甲烷浓度调整为1.9％，其余参数不变，进行第3层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积3h后，完成第3层微米晶金刚石薄膜沉积，获得尺寸为2.2～3um，平均粒径为2.5um的第3层微米晶金刚石薄膜；
(6)将甲烷浓度调整为2.9％，其余参数不变，进行第4层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积2h后，完成第4层微米晶金刚石薄膜沉积，尺寸为1～1.5um，平均粒径为1.2um的第4层微米晶金刚石薄膜；
(7)将甲烷浓度调整为5％，其余参数不变，进行第5层纳米晶金刚石薄膜沉积，沉积2h后，完成第5层纳米晶金刚石薄膜沉积，获得尺寸为10～80nm，平均粒径为50nm的第5层纳米晶金刚石薄膜；
(8)将机械泵关闭，随腔室冷却30分钟后将刀具取出，高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜制备完成。
实施例4
一种高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜，所述的金刚石梯度膜包括4层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，刀具基体表面向外依次为4层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，且各层金刚石膜晶粒尺寸由内向外呈梯度依次减小；其中：
所述的4层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为4～5um，平均粒径为4.5um，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为3.5～4um，平均粒径为3.9um，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为2～3um，平均粒径为2.8um，第4层金刚石薄膜晶粒尺寸为1.5～2um，平均粒径为1.9um；
所述的纳米晶金刚石薄膜为第5层金刚石薄膜，所述的纳米晶金刚石薄膜晶粒尺寸为50～100nm，平均粒径为80nm；
所述的金刚石薄膜总厚度为4um；
所述的高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜，制备方法包括以下步骤：
(1)取高钴硬质合金球头铣刀，对铣刀刀刃进行酸碱两步法预处理，具体过程为：将高钴硬质合金球头铣刀的刀刃部分置于丙酮、酒精溶液中超声清洗3分钟，干燥后放入Murakami溶液中浸泡10～15min，去除刀具基体A表面的碳化钨颗粒使刀具基体A表面的钴暴露出来，取出刀具用酒精清洗后，干燥，再置于混合酸溶液中进行1min的刻蚀以去除其表层的钻元素；最后，将经过酸碱预处理的高钴硬质合金刀具置于丙酮溶液中进行5分钟的超声清洗，以去除刀具基体A表面的酸碱残余物质以及气体杂质；
(2)基体A进行酸碱预处理后，取出置于金刚石悬浮液中进行基体A表面接种处理，接种处理后取出，进行超声20分钟的干燥处理；
(3)将干燥处理后的刀具基体A置于热丝化学气相沉积设备的真空腔室内，在所述的刀具基体A表面依次沉积生长3层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜；生长第1层微米晶金刚石薄膜的工艺条件为：真空室气压为3～5kPa，加热温度2000～2600℃，基底温度750～850℃，甲烷浓度C为1％，气流量400～800sccm，加热丝与基底上表面间距8～12mm，相邻加热丝排布间距为5～20mm，沉积3.2h后，完成第1层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为4～5um，平均粒径为4.5um的第1层微米晶金刚石薄膜；
(4)将甲烷浓度调整为1.3％，其余参数不变，进行第2层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积4h后，完成第2层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为3.5～4um，平均粒径为3.9um的第2层微米晶金刚石薄膜；
(5)将甲烷浓度调整为1.5％，其余参数不变，进行第3层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积3.2h后，完成第2层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为2～3um，平均粒径为2.8um的第3层微米晶金刚石薄膜；
(6)将甲烷浓度调整为2％，其余参数不变，进行第4层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积2.3h后，完成第4层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为1.5～2um，平均粒径为1.9um的第4层微米晶金刚石薄膜；
(7)将甲烷浓度调整为3％，其余参数不变，进行第5层纳米晶金刚石薄膜沉积，沉积2.2h后，完成第5层纳米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为50～100nm，平均粒径为80nm的第5层纳米晶金刚石薄膜；
(8)将机械泵关闭，随腔室冷却30分钟后将刀具取出，高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜制备完成。
实施例5
一种高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜，所述的金刚石梯度膜包括5层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，刀具基体表面向外依次为5层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，且各层金刚石膜晶粒尺寸由内向外呈梯度依次减小；其中：
所述的5层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为4～5um，平均粒径为4.3um，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为3～3.8um，平均粒径为3.7um，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为2.2～3um，平均粒径为2.5um，第4层金刚石薄膜晶粒尺寸为1.5～1.8um，平均粒径为1.7um第5层金刚石薄膜晶粒尺寸为1～1.5um，平均粒径为1.2um；
所述的纳米晶金刚石薄膜为第6层金刚石薄膜，所述的纳米晶金刚石薄膜晶粒尺寸为10～80nm，平均粒径为50nm；
所述的金刚石薄膜总厚度为4um；
所述的高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜，制备方法包括以下步骤：
(1)取高钴硬质合金球头铣刀，对铣刀刀刃进行酸碱两步法预处理，具体过程为：将高钴硬质合金球头铣刀的刀刃部分置于丙酮、酒精溶液中超声清洗3分钟，干燥后放入Murakami溶液中浸泡10～15min，去除刀具基体A表面的碳化钨颗粒使刀具基体A表面的钴暴露出来，取出刀具用酒精清洗后，干燥，再置于混合酸溶液中进行1min的刻蚀以去除其表层的钻元素；最后，将经过酸碱预处理的高钴硬质合金刀具置于丙酮溶液中进行5分钟的超声清洗，以去除刀具基体A表面的酸碱残余物质以及气体杂质；
(2)基体A进行酸碱预处理后，取出置于金刚石悬浮液中进行基体A表面接种处理，接种处理后取出，进行超声20分钟的干燥处理；
(3)将干燥处理后的刀具基体A置于热丝化学气相沉积设备的真空腔室内，在所述的刀具基体A表面依次沉积生长3层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜；生长第1层微米晶金刚石薄膜的工艺条件为：真空室气压为3～5kPa，加热温度2000～2600℃，基底温度750～850℃，甲烷浓度C为1.2％，气流量400～800sccm，加热丝与基底上表面间距8～12mm，相邻加热丝排布间距为5～20mm，沉积3.5h后，完成第1层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为4～5um，平均粒径为4.3um的第1层微米晶金刚石薄膜；
(4)将甲烷浓度调整为1.4％，其余参数不变，进行第2层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积3h后，完成第2层微米晶金刚石薄膜沉积，获得尺寸为3～3.8um，平均粒径为3.7um的第2层微米晶金刚石薄膜；
(5)将甲烷浓度调整为1.9％，其余参数不变，进行第3层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积3h后，完成第3层微米晶金刚石薄膜沉积，获得尺寸为2.2～3um，平均粒径为2.5um的第3层微米晶金刚石薄膜；
(6)将甲烷浓度调整为2.4％，其余参数不变，进行第4层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积2h后，完成第4层微米晶金刚石薄膜沉积，尺寸为1.5～1.8um，平均粒径为1.7um的第4层微米晶金刚石薄膜；
(6)将甲烷浓度调整为2.9％，其余参数不变，进行第5层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积2h后，完成第5层微米晶金刚石薄膜沉积，尺寸为1～1.5um，平均粒径为1.2um的第5层微米晶金刚石薄膜；
(7)将甲烷浓度调整为5％，其余参数不变，进行第6层纳米晶金刚石薄膜沉积，沉积2h后，完成第6层纳米晶金刚石薄膜沉积，获得尺寸为10～80nm，平均粒径为50nm的第6层纳米晶金刚石薄膜；
(8)将机械泵关闭，随腔室冷却30分钟后将刀具取出，高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜制备完成。
实施例6
一种高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜，所述的金刚石梯度膜包括5层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，刀具基体表面向外依次为5层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，且各层金刚石膜晶粒尺寸由内向外呈梯度依次减小；其中：
所述的5层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为4～5um，平均粒径为4.5um，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为3.5～4um，平均粒径为3.9um，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为2～3um，平均粒径为2.8um，第4层金刚石薄膜晶粒尺寸为1.5～2um，平均粒径为1.9um，第5层金刚石薄膜晶粒尺寸为1～1.5um，平均粒径为1.4um；所述的纳米晶金刚石薄膜为第6层金刚石薄膜，所述的纳米晶金刚石薄膜晶粒尺寸为50～100nm，平均粒径为80nm；
所述的金刚石薄膜总厚度为4um；
所述的高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜，制备方法包括以下步骤：
(1)取高钴硬质合金球头铣刀，对铣刀刀刃进行酸碱两步法预处理，具体过程为：将高钴硬质合金球头铣刀的刀刃部分置于丙酮、酒精溶液中超声清洗3分钟，干燥后放入Murakami溶液中浸泡10～15min，去除刀具基体A表面的碳化钨颗粒使刀具基体A表面的钴暴露出来，取出刀具用酒精清洗后，干燥，再置于混合酸溶液中进行1min的刻蚀以去除其表层的钻元素；最后，将经过酸碱预处理的高钴硬质合金刀具置于丙酮溶液中进行5分钟的超声清洗，以去除刀具基体A表面的酸碱残余物质以及气体杂质；
(2)基体A进行酸碱预处理后，取出置于金刚石悬浮液中进行基体A表面接种处理，接种处理后取出，进行超声20分钟的干燥处理；
(3)将干燥处理后的刀具基体A置于热丝化学气相沉积设备的真空腔室内，在所述的刀具基体A表面依次沉积生长3层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜；生长第1层微米晶金刚石薄膜的工艺条件为：真空室气压为3～5kPa，加热温度2000～2600℃，基底温度750～850℃甲烷浓度C为1％，气流量400～800sccm，加热丝与基底上表面间距8～12mm，相邻加热丝排布间距为5～20mm，沉积3.2h后，完成第1层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为4～5um，平均粒径为4.5um的第1层微米晶金刚石薄膜1；
(4)将甲烷浓度调整为1.3％，其余参数不变，进行第2层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积4h后，完成第2层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为3.5～4um，平均粒径为3.9um的第2层微米晶金刚石薄膜；
(5)将甲烷浓度调整为1.5％，其余参数不变，进行第3层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积3.2h后，完成第3层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为2～3um，平均粒径为2.8um的第3层微米晶金刚石薄膜；
(6)将甲烷浓度调整为2％，其余参数不变，进行第4层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积2.3h后，完成第4层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为1.5～2um，平均粒径为1.9um的第4层微米晶金刚石薄膜；
(6)将甲烷浓度调整为2.5％，其余参数不变，进行第5层微米晶金刚石薄膜沉积，沉积2.3h后，完成第5层微米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为1～1.5um，平均粒径为1.4um的第5层微米晶金刚石薄膜；
(7)将甲烷浓度调整为3％，其余参数不变，进行第6层纳米晶金刚石薄膜沉积，沉积2.2h后，完成第6层纳米晶金刚石薄膜沉积，获得晶粒尺寸为50～100nm，平均粒径为80nm的第6层纳米晶金刚石薄膜；
(8)将机械泵关闭，随腔室冷却30分钟后将刀具取出，高钴硬质合金球头铣刀表面金刚石梯度膜制备完成。

Claims (7)

1.一种合金刀具表面金刚石梯度膜的制备方法，其特征在于，所述的金刚石梯度膜包括3~5层微米晶金刚石薄膜和一层纳米晶金刚石薄膜，所述的微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸为1~5μm，所述的纳米晶金刚石薄膜晶粒尺寸为10~100nm，刀具基体表面向外依次为3-5层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，且各层金刚石膜晶粒尺寸由内向外呈梯度依次减小；制备方法具体包括以下步骤：
(1)取合金刀具，对基体进行预处理后，置于金刚石悬浮液中进行刀具表面接种处理，接种处理后取出，进行干燥处理；
(2)将干燥处理后的刀具基体置于热丝化学气相沉积设备的真空腔室内，在所述的刀具基体表面依次沉积生长3-5层微米晶金刚石薄膜和1层纳米晶金刚石薄膜，其中：沉积所述的3~5层微米晶金刚石薄膜与1层纳米晶金刚石薄膜的工艺条件为：真空室气压为3~5kPa，加热温度2000~2600℃，基底温度750~850℃，甲烷浓度为1~5%，气流量400~800sccm，加热丝与基底上表面间距8~12mm，相邻加热丝排布间距为5~20mm，且甲烷浓度随着金刚石薄膜层的沉积呈递增趋势。
2.根据权利要求1所述的合金刀具表面金刚石梯度膜的制备方法，其特征在于，所述的微米晶金刚石薄膜层数为3层，所述的3层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为3~5μm，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为2~3μm，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为1~2μm。
3.根据权利要求1所述的合金刀具表面金刚石梯度膜的制备方法，其特征在于，所述的微米晶金刚石薄膜层数为4层，所述的4层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为4~5μm，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为3~4μm，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为2~3μm，第4层金刚石薄膜晶粒尺寸为1~2μm。
4.根据权利要求1所述的合金刀具表面金刚石梯度膜的制备方法，其特征在于，所述的微米晶金刚石薄膜层数为5层，所述的5层微米晶金刚石薄膜晶粒尺寸，由刀具基体表面向外依次为：第1层金刚石薄膜晶粒尺寸为4~5μm，第2层金刚石薄膜晶粒尺寸为3~4μm，第3层金刚石薄膜晶粒尺寸为2~3μm，第4层金刚石薄膜晶粒尺寸为1.5~2μm；第5层金刚石薄膜晶粒尺寸为1~1.5μm。
5.根据权利要求1所述的合金刀具表面金刚石梯度膜的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，所述的微米晶金刚石薄膜的层数为3层，其中：
沉积第1层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C1为：1%≤C1＜1.5%；
沉积第2层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C2为：1.5%≤C2＜2%；
沉积第3层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C3为：2%≤C3＜3%；
沉积第4层纳米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C4为：3%≤C4≤5%。
6.根据权利要求1所述的合金刀具表面金刚石梯度膜的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，所述的微米晶金刚石薄膜的层数为4层，其中：
沉积第1层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C1为：1%≤C1＜1.3%；
沉积第2层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C2为：1.3%≤C2＜1.5%；
沉积第3层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C3为：1.5%≤C3＜2%；
沉积第4层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C4为：2%≤C4＜3%；
沉积第5层纳米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C5为：3%≤C5≤5%。
7.根据权利要求1所述的合金刀具表面金刚石梯度膜的制备方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，所述的微米晶金刚石薄膜的层数为5，其中：
沉积第1层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C1为：1%≤C1＜1.3%；
沉积第2层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C2为：1.3%≤C2＜1.5%；
沉积第3层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C3为：1.5%≤C3＜2%；
沉积第4层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C4为：2%≤C4＜2.5%；
沉积第5层微米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C5为：2.5%≤C5＜3%；
沉积第6层纳米晶金刚石薄膜的甲烷浓度C6为：3%≤C6≤5%。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110318032A (zh) * 2018-03-29 2019-10-11 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种超细纳米晶金刚石精密刀具及其制造方法
CN108842141A (zh) * 2018-07-05 2018-11-20 四川纳涂科技有限公司 一种cvd金刚石涂层晶粒纳米化的方法
CN111334778B (zh) * 2018-12-18 2024-02-09 深圳先进技术研究院 钛合金复合材料及其制备方法、外科植入物和医疗器械
CN110205604B (zh) * 2019-07-04 2021-05-14 沈阳建筑大学 梯度金刚石/石墨复合自润滑减磨工程陶瓷涂层及制法
CN110684959B (zh) * 2019-10-30 2022-02-15 中国科学院深圳先进技术研究院 金刚石梯度涂层及其制备方法和应用
CN110983293A (zh) * 2019-12-26 2020-04-10 广东省新材料研究所 一种具有金刚石涂层的硬质合金件、制备方法及其应用
CN111286718A (zh) * 2020-03-20 2020-06-16 廊坊西波尔钻石技术有限公司 一种抗冲击cvd金刚石自支撑材料及制造方法
CN113621965A (zh) * 2021-08-11 2021-11-09 无锡锐威精密刀具有限公司 一种合金刀具表面金刚石梯度膜及其制备方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN1271243C (zh) * 2004-03-19 2006-08-23 复旦大学 纳米微晶金刚石薄膜及其制备方法
CN201410508Y (zh) * 2009-05-27 2010-02-24 上海交友钻石涂层有限公司 具有多层膜结构的金刚石复合涂层拉拔模具
CN102586777B (zh) * 2012-03-30 2013-07-03 南京航空航天大学 基于微/纳米金刚石过渡层的立方氮化硼涂层刀具的制备方法
CN105483644A (zh) * 2016-01-15 2016-04-13 中国科学院深圳先进技术研究院 多层金刚石涂层及其制备方法、涂层工具
CN106869805B (zh) * 2017-02-24 2018-10-19 深圳先进技术研究院 一种聚晶金刚石复合片及其制备方法

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