CN107523799A - 用形位限定法生长刀具金刚石织构涂层的方法 - Google Patents

Abstract

一种用形位限定法生长刀具金刚石织构涂层的方法，其特征是它包括以下步骤：首先，对基材进行前处理，以利于金刚石涂层的沉积；其次，在经过前处理的基材表面覆盖设有镂空结构的掩膜；第三，在镂空结构对应的基体上沉积一层高熔点材料涂层和阻生元素涂层；将掩膜从基体上取下后或直接对沉积有高熔点材料涂层及阻生元素涂层处进行刻蚀加工，形成与最终刀具形状相反的织构凸起；向刻蚀沟槽中涂履金刚石粉以利于后续纳米金刚石沉积时易于成核；将基材置于沉积炉对刻蚀区域及整个基体表面进行纳米金刚石沉积；去除基体表面的未沉积纳米金刚石涂层的织构凸起，露出纳米金刚石深积层。本发明织构形成方法，简单易行，能提高刀具制造效率和质量。

Description

用形位限定法生长刀具金刚石织构涂层的方法

技术领域

本发明涉及一种刀具制备方法，尤其是一种金刚石涂层刀具的制备方法，具体地说是一种用形位限定法生长刀具金刚石织构涂层的方法，它是利用刀具表面涂层技术（例如CVD和PVD技术等），在刀具表面一定范围内涂镀一层较高熔点的材料（例如钨，铬，钽等金属材料以及一些合金材料和非金属材料），范围是由掩膜（如Cu片等）控制的，再沉积少许的阻生元素（抑制金刚石生长材料如Fe、Co、Ni等），然后对该涂层进行刻蚀（例如微细电火花，离子束刻蚀或激光刻蚀等）使其呈现出织构纹路的涂层凸起，将处理好的刀具用清洗剂（如丙酮，乙醇等）清洗刀具表面，再进行烘干，在刀具表面涂覆金刚石粉，利用HFCVD或MPCVD等方法沉积纳米金刚石，由于涂层凸起的存在和其上分布的阻生元素分布会阻止金刚石生长，生长完成后去除涂层凸起，形成刀具的金刚石织构涂层。

背景技术

众所周知，刀具表面微织构具有减摩耐磨，抗粘黏，降低刀体温度等作用，对增大切削效率和刀具寿命有着显著效果，如果将其运用在金刚石涂层刀具上会有更加优异的表现，但是金刚石的加工比较困难，技术不成熟，金刚石涂层织构刀具的制备方法目前鲜有人研究，没有合适的方法制备出有织构形貌的金刚石涂层。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术研究领域的空白，提供一种在刀具表面制备金刚石织构涂层的方法，其通过在刀具表面涂镀高熔点材料，利用刻蚀技术制备涂层凸起从而控制金刚石生长，使金刚石涂层表面形成织构形貌。

本发明的技术方案是：

一种用形位限定法生长刀具金刚石织构涂层的方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，对基材进行前处理，以利于金刚石涂层的沉积；

其次，在经过前处理的基材表面覆盖掩膜，在掩膜上与成形刀具对应位置处设有镂空结构；

第三，在镂空结构对应的基体上沉积一层高熔点材料涂层；

第四，在高熔点材料涂层的表面再沉积一层能抑制金刚石生长的阻生元素涂层；

第五，将掩膜从基体上取下后或直接对沉积有高熔点材料涂层及阻生元素涂层处进行刻蚀加工，形成与最终刀具形状相反的织构凸起；

第六，向刻蚀沟槽中涂履金刚石粉以利于后续纳米金刚石沉积时易于成核；

第七，将上步所得的基材置于沉积炉对刻蚀区域及整个基体表面进行纳米金刚石沉积，织构凸起处由于阻生元素的作用无法沉积形成纳米金刚石涂而，而刻蚀处则形成厚度为10微米左右的纳米金刚石涂层；

第八，去除基体表面的未沉积纳米金刚石涂层的织构凸起，露出纳米金刚石深积层，从而得到与刀具形状相配的金刚石织构涂层，去掉多余部分，保留具有强构部分的硬质合金基体即可加工出所需的刀具。

所述的基材为硬质合金。

所述的前处理是指对基材表面进行去Co或添加过渡层，然后进行粗化处理，使表面粗糙度Ra大于6.3微米。

所述的掩膜的厚度不小于10微米。

所述的掩膜为铜片。

所述的高熔点材料涂层为钨、铬、钽类金属材料涂层、合金材料涂层或非金属材料涂层；所使用的沉积设备为PCD或CVD。

所述的能抑制金刚石生长的阻生元素涂层为Fe、Co、Ni涂层。

所述的刻蚀方法为微细电火花加工、离子束刻蚀或激光刻蚀之一。

所述的刻蚀深度大于高熔点材料涂层和阻生元素涂层厚度之和。

所述的纳米金刚石沉积法为HFCVD法或MPCVD法；且在向刻蚀沟槽中涂履金刚石粉之前应先用清洗剂对刻蚀部位进行清洗并烘干。

本发明的有益效果：

本发明利用刀具表面涂层技术（如PVD和CVD等技术），在刀具表面一定范围内沉积一层较高熔点的涂层（钨，铬，钽以及一些合金材料和非金属材料）和少许抑制金刚石生长的元素，对该金属涂层进行刻蚀（例如微细电火花，激光刻蚀等）使其呈现出织构形状凸起，通过金刚石生长获得织构涂层。

本发明所用到的技术都比较成熟，容易获得，生长金刚石织构涂层的效率较高，成功率高，成本相对较低而且制备的金刚石织构涂层质量好，织构形貌规整，能制备各项参数比较精确的金刚石织构。

附图说明

图1是本发明的形位限定法生长刀具金刚石织构涂层的步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示。

一种用形位限定法生长刀具金刚石织构涂层的方法，它包括以下步骤：

首先，对基材（一般为硬质合金）进行前处理，即通过对基材表面进行去Co或添加过渡层，然后进行粗化处理，使表面粗糙度Ra大于6.3微米，以利于金刚石涂层的沉积；

其次，在经过前处理的基材表面覆盖铜片掩膜，在掩膜上与成形刀具对应位置处加工形成一个镂空结构；

第三，利用为PCD或CVD设备在镂空结构对应位置处的基体上沉积一层高熔点材料涂层，如：钨、铬、钽类金属材料涂层、合金材料涂层或非金属材料涂层；

第四，用同样的方法在高熔点材料涂层的表面再沉积一层能抑制金刚石生长的阻生元素涂层，如Fe、Co、Ni涂层，以使阻生无素涂层处不易形成纳米金刚石涂层；

第五，将掩膜从基体上取下后或直接对沉积有高熔点材料涂层及阻生元素涂层处进行刻蚀加工（微细电火花加工、离子束刻蚀或激光刻蚀之一），形成与最终刀具形状相反的织构凸起；

第六，可先对刻槽处进行清洗并烘干，再向刻蚀沟槽中涂履金刚石粉以利于后续纳米金刚石沉积时易于成核；

第七，将上步所得的基材置于沉积炉中利用HFCVD法或MPCVD法对刻蚀区域及整个基体表面进行纳米金刚石沉积，织构凸起处由于阻生元素的作用无法沉积形成纳米金刚石涂而，而刻蚀处则形成厚度为10微米左右（10±1µm）的纳米金刚石涂层；所述的金刚石涂层要达到纳米级，因为纳米级的金刚石涂层有利于控制织构形貌并且可以减小刀屑之间摩擦系数，减小刀具温度和切削力。若想细化金刚石晶粒应控制好反应条件：保持较高的甲烷浓度（3﹪～4﹪），温度控制在800℃左右，气压保持在2kPa以下低气压值，并保持实验条件的稳定性，使沉积的金刚石涂层均匀，平整。

第八，去除基体表面的未沉积纳米金刚石涂层的织构凸起，露出纳米金刚石深积层，从而得到与刀具形状相配的金刚石织构涂层，去掉多余部分，保留具有强构部分的硬质合金基体即可加工出所需的刀具。

详述如下：

图1中显示的是刀具基体、掩膜、金属涂层、阻生元素、涂层凸起、金刚石织构涂层刀具等。

图1中将“形位限定法生长刀具的金刚石织构涂层”的方法分为六个步骤：

（1）先将刀具基体去Co处理或增加一层过渡层，再进行表面粗化，使其易于沉积金刚石涂层。

（2）掩膜覆盖于刀具基体上，厚度大于10µm，掩膜上的镂空对应的刀具表面需要加工织构的区域。

（3） 用刀具表面涂层技术（PVD或CVD等），在掩膜和刀具表面沉积一层均匀的高熔点材料，沉积到10μm后将靶材换成阻生材料（抑制金刚石生长的材料），在高熔点材料涂层顶部沉积少许阻生元素。

（4）用刻蚀的方法（微细电火花，离子束刻蚀或激光刻蚀等）将金属涂层刻蚀掉一部分，如图保留具有织构纹路的涂层凸起。

（5）用清洗剂（如丙酮，乙醇等）清洗刀具表面，再进行烘干，在刀具表面涂覆金刚石粉末，置于反应釜中，用HFCVD或MPCVD等方法完成金刚石涂层生长，将金刚石晶粒大小控制在纳米级，可以保证刀具表面光滑平整，涂层的厚度保持在10µm左右。

（6）沉积完成后再用磨削技术，腐蚀技术或第四步中的刻蚀方法去除剩余的涂层凸起，获得高质量，形貌规整的金刚石织构涂层。

用形位限定法生长刀具金刚石织构涂层的过程中未提及的制备方法和工艺与现有的技术相同。

由上可见，本发明的刀具基体一般采用硬质合金等材料，先要经过去Co或添加过渡层以及表面粗化等前处理，掩膜（如铜片）覆盖于刀具基体上，厚度大于10µm，掩膜上的镂空对应刀具需要加工织构的区域，利用表面涂层技术（PVD，CVD等）在掩膜表面沉积一层高熔点材料涂层（例如钨，铬，钽等金属材料以及一些合金材料和非金属材料），厚度大于等于10µm，再沉积少许的阻生元素（抑制金刚石生长材料如Fe、Co、Ni等），移除掩膜会在刀具表面形成一定面积的金属涂层，对该金属涂层进行刻蚀（例如微细电火花，离子束刻蚀或激光刻蚀等）使其呈现出织构形状凸起，在刀具表面涂覆金刚石粉，再利用HFCVD或MPCVD等方法沉积纳米金刚石，纳米金刚石涂层的厚度在10µm左右，由于涂层凸起的存在和其上分布的阻生元素会阻止金刚石沉积，沉积完成后去除金属涂层凸起，形成金刚石织构涂层。刻蚀后留下的凸起的纹路不同，得到的织构形貌也会不同。就像模具一样，凸起的截面不同，金刚石织构会产生互补的形状，可以制备许多异形沟槽。掩膜厚度大于或等于10μm，覆盖于刀具表面，掩膜上加工有镂空，镂空区域对应刀具需要加工织构的区域。利用表面涂层技术（PVD，CVD等）在掩膜表面沉积高熔点材料涂层（例如钨，铬，钽等金属材料以及一些合金材料和非金属材料），再沉积少许的阻生元素（抑制金刚石生长材料如Fe、Co、Ni等）。移除掩膜后会在刀具表面形成一定面积的高熔点材料涂层 。对该金属涂层进行刻蚀（例如微细电火花，离子束刻蚀或激光刻蚀等）使其呈现出具有织构纹路的凸起。用清洗剂（如丙酮等）清洗刀具表面，随后烘干，在刀具表面涂覆金刚石粉，再利用HFCVD或MPCVD等方法沉积纳米金刚石涂层。由于涂层凸起的存在和其上分布的阻生元素会阻止金刚石沉积，沉积完成后去除高熔点涂层凸起后形成刀具的金刚石织构涂层。去除金属涂层要用到刻蚀技术（例如微细电火花，离子束刻蚀或激光刻蚀等）、腐蚀技术或磨削技术。刻蚀金属涂层后留下的凸起的纹路不同，得到的织构形貌不同。就像模具一样，凸起的截面不同，金刚石织构会产生互补的形状，可以制备许多异形沟槽。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种用形位限定法生长刀具金刚石织构涂层的方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，对基材进行前处理，以利于金刚石涂层的沉积；

其次，在经过前处理的基材表面覆盖掩膜，在掩膜上与成形刀具对应位置处设有镂空结构；

第三，在镂空结构对应的基体上沉积一层高熔点材料涂层；

第四，在高熔点材料涂层的表面再沉积一层能抑制金刚石生长的阻生元素涂层；

第五，将掩膜从基体上取下后直接对沉积有高熔点材料涂层及阻生元素涂层处进行刻蚀加工，形成与最终刀具织构形状相同的织构凸起；

第六，向刻蚀沟槽中涂履金刚石粉以利于后续纳米金刚石沉积时易于成核；

第七，将上步所得的基材置于沉积炉，对刀具基体上需要生长金刚石涂层的区域进行纳米金刚石沉积，织构凸起处由于阻生元素的作用无法沉积形成纳米金刚石涂层，而刻蚀处则形成厚度为10微米左右的纳米金刚石涂层；

第八，去除基体表面的未沉积纳米金刚石涂层的织构形状的高熔点材料凸起，从而得到金刚石织构涂层。

2.根据权利要求1所述的方法 ，其特征是所述的基材为硬质合金。

3.根据权利要求1所述的方法 ，其特征是所述的前处理是指对基材表面进行去Co或添加过渡层，然后进行粗化处理，使表面粗糙度Ra大于6.3微米。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的掩膜的厚度不小于10微米。

5.根据权利要求1或4所述的方法 ，其特征是所述的掩膜为铜片。

6.根据权利要求1所述的方法 ，其特征是所述的高熔点材料涂层为钨、铬、钽类金属材料涂层、合金材料涂层或非金属材料涂层；所使用的沉积设备为PCD或CVD。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的能抑制金刚石生长的阻生元素涂层为Fe、Co、Ni等涂层。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的刻蚀方法为微细电火花加工、离子束刻蚀或激光刻蚀之一。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征是高熔点材料涂层和阻生元素涂层厚度之和不小于金刚石涂层厚度。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的纳米金刚石沉积法为HFCVD法，MPCVD法等金刚石生长方法；且在向刻蚀沟槽中涂履金刚石粉之前应先用清洗剂对刻蚀部位进行清洗并烘干。