CN108179398B - 一种金刚石涂层钻头及其制备方法 - Google Patents

一种金刚石涂层钻头及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种金刚石涂层钻头及其制备方法，所述钻头包括钻身(1)和钻尖(2)，所述钻身(1)涂覆纳米晶金刚石涂层或类金刚石的碳基涂层；所述钻尖(2)涂覆微米晶金刚石涂层。通过在热丝化学气相沉积装置上设置挡热筒，然后利用化学气相沉积得到所述涂层。本发明分别在钻尖和钻身涂覆微米晶金刚石涂层和纳米晶金刚石涂层或类金刚石涂层等摩擦系数低的碳基涂层，融合了微米晶金刚石涂层优异的耐磨性能和纳米晶金刚石涂层优异的切屑排出性能，进而获得了耐磨性能和切屑排出性能都十分优异的金刚石涂层钻头，提高了钻头的工作效率，延长了其使用寿命，具有良好的应用前景。

Description

一种金刚石涂层钻头及其制备方法
技术领域
本发明涉及机械加工制造领域，具体涉及一种金刚石涂层钻头及其制备方法，尤其涉及一种钻身和钻尖涂覆不同晶粒度金刚石涂层的钻头及其制备方法。
背景技术
目前，高速钢刀具、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)涂层硬质合金刀具、陶瓷刀具及聚晶金刚石/聚晶氮化硼(PCD/PCBN)刀具由于硬度低或刀具形状有限等原因不能完全满足高速、高效加工复合材料、A1Si有色合金和特种石墨等材料加工的要求。CVD金刚石涂层硬质合金具有高硬度，可以在复杂结构刀具上进行沉积，成为加工复合材料，陶瓷材料和特种石墨等非金属材料以及高硅铝合金的最佳刀具材料。
通常在硬质合金钻头基体的表面涂覆金刚石涂层形成的金刚石涂层钻头，金刚石涂层是比较均匀地涂覆于包含钻尖到刀柄的位置。因此，在钻头的钻尖、排屑槽、刃带等表面上被均匀地涂覆金刚石涂层。
CN205165990U公开了一种具有金刚石涂层的PCB硬质合金钻头，该钻头的硬质合金本体表面涂覆有金刚石涂层，金刚石涂层和硬质合金本体之间设碳化硅过渡层，提高了钻头使用寿命。
CN204877275U公开了一种合金镀膜钻头，在刀头上涂覆有金刚石涂层，提高了切削刃的硬度和耐磨性，又具有良好的抗冲击韧性，提高了施工效率。
CN102211218A公开了一种金刚石涂层刀具，包括钻尖、刃部和柄部，刀具的钻尖和刃部为金刚石涂层涂覆，利用热丝CVD在刀具钻尖和刃部表面制备金刚石涂层。得到的涂层刀具加工纤维复合材料没有毛刺现象，也无明显的表层起皮现象。
CN101975026A公开了一种PDC钻头，包括钻头基体、耐磨涂层及金刚石复合片，所述钻头基体设有一安装端及一钻入端，所述耐磨涂层设于所述钻入端的表面并设有凸仲出钻头基体的片状旋转翼，该耐磨涂层的厚度为0.2-5mm并由金刚石和耐磨合金组成，所述金刚石复合片固定所述片状旋转翼上。提高了钻头的强度和耐磨性能，延长了钻头的使用寿命，也降低了钻头的整体生产成本。
涂覆有微晶金刚石涂层的钻头在加工CFRP、高Si的Al合金、石墨、氧化锆陶瓷等难切削材料时，虽然耐磨性能优异，但切屑的排出阻力较大，因此切屑容易堵塞，易造成断刀或钻孔质量下降。而如果向钻头表面涂覆表面平滑的纳米晶金刚石涂层，虽然解决了涂层钻头排屑的问题，但存在耐磨性差的问题，难以达到较长的使用寿命。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种金刚石涂层钻头及其制备方法，通过热丝化学气相沉积法在钻身和钻尖分别涂覆纳米晶金刚石涂层(或类金刚石的碳基涂层)以及微米晶金刚石涂层，在提高金刚石涂层钻头耐磨性的同时改善了钻削时钻身的切屑排出性能，进而提高了钻头的工作效率，延长其使用寿命。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种金刚石涂层钻头，所述钻头包括钻身1和钻尖2，所述钻身1涂覆纳米晶金刚石涂层或类金刚石的碳基涂层；所述钻尖2涂覆微米晶金刚石涂层。
本发明属于对成品钻头的再加工，所用钻头选用成品件，因此对于钻身(排屑槽、刃带及刃背)和钻尖的参数并不进行特殊限定。
本发明所述钻身1涂覆纳米晶金刚石涂层或类金刚石的碳基涂层指在钻身1涂覆纳米晶金刚石涂层或纳米晶类金刚石的碳基涂层。
本发明选择在钻头不同部位沉积不同晶粒度的金刚石涂层，即在钻尖部分沉积结晶性较好的微米晶金刚石涂层以提高刀刃的耐磨性能，而在远离钻尖的钻身(排屑槽、刃带及刃背)沉积结晶性差的纳米晶金刚石涂层或类金刚石涂层等摩擦系数低的碳基涂层，以降低排屑槽表面涂层的粗糙度，从而在提高金刚石涂层钻头耐磨性的同时改善了钻削时钻身的切屑排出性能。
根据本发明，所述钻头还包括过渡区3，所述过渡区3位于钻身1和钻尖2之间。
本发明所述的过渡区3实际上为对钻身1和钻尖2进行沉积金刚石涂层时不可避免形成的一个区域，而非单独对其进行沉积产生的；因此过渡区3涂覆的金刚石涂层的晶粒度介于钻身1涂覆的纳米晶和钻尖2涂覆的微米晶之间。
根据本发明，所述过渡区3的长度为所述钻头直径的1-1.5倍，例如可以是钻头直径的1倍、1.1倍、1.2倍、1.3倍、1.4倍或1.5倍，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，所述钻身1涂覆的纳米晶涂层的晶粒度＜0.5μm，例如可以是490nm、400nm、300nm、200nm、100nm、80nm、50nm、30nm、10nm、5nm、1nm、0.5nm、0.1nm或0.01nm等，以及其他晶粒度＜0.5μm的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
对于本发明而言，当钻身1涂覆的涂层的晶粒度足够小，达到超纳米晶时，同样适用于本发明。
本发明选择在远离钻尖的钻身(排屑槽、刃带及刃背)沉积晶粒度＜0.5μm的纳米晶或超纳米晶涂层，当晶粒度超过0.5μm时，该部位表面粗糙度变大，钻头在切削加工时切屑排出性能变差，最终降低刀具使用寿命，且对被加工工件的加工质量造成不利影响。
根据本发明，所述钻尖2涂覆的微米晶涂层的晶粒度为0.5-5μm，优选为1-3μm；例如可以是0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
当钻尖的微米晶金刚石涂层晶粒度超过5μm时，钻尖刃部表面粗糙值太大，会降低被加工工件的加工质量；当钻尖的微米晶金刚石涂层晶粒度小于0.5μm时，则钻尖刃部耐磨性不足，无法获得较长的使用寿命，因此选择将钻尖的微米晶金刚石涂层的晶粒度控制在0.5-5μm的范围内。
根据本发明，所述钻头表面涂层的厚度为3-30μm，例如可以是3μm、5μm、8μm、10μm、13μm、15μm、18μm、20μm、23μm、25μm、28μm或30μm，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
上述钻头表面涂层的厚度指的是整个钻头表面涂覆的金刚石涂层的厚度，即钻身、钻尖以及过渡区表面涂覆的涂层的厚度均在3-30μm的范围内，但三者的厚度可以相同也可以不同，本发明对此并不进行特殊限定。
根据本发明，所述钻头的基体为硬质合金，优选为碳化钨基硬质合金，进一步优选为WC-Co合金。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的钻头的制备方法，其特征在于，所述方法为：利用热丝化学气相法在钻头的钻身1表面沉积纳米晶金刚石涂层或类金刚石的碳基涂层，在钻尖2表面沉积微米晶金刚石涂层。
根据本发明，在所述热丝化学气相沉积前对钻头进行预处理，所述预处理为：分别对钻头基体进行碱洗和酸洗，然后使用含有金刚石微粉的有机溶液对其进行超声波清洗，得到表面经过粗化的钻头。
本发明选择热丝化学气相沉积法对钻头表面进行沉积金刚石涂层，热丝化学气相沉积法为本领域常用的技术，应根据需要的涂层厚度，对基体温度和沉积时间进行具体的选择，对于其具体操作以及参数的确定本发明不再赘述。本发明需要详细说明的是，如何实现同时在钻身1和钻尖2表面沉积得到晶粒度不同的金刚石涂层。
如图4所示，本发明选择沉积过程中先将钻头固定于热丝化学气相沉积装置的夹具上，在钻头外侧设置高度可以调节的挡热筒，沉积前将挡热筒的高度调整至与钻身1等高，然后对其进行化学气相沉积。
挡热筒用于遮挡来自热灯丝的热辐射，在进行金刚石气相沉积时，由于挡热筒的作用，使得钻身1处沉积的温度比钻尖2处沉积的温度低，温度的不同导致在钻身1和钻尖2处沉积的金刚石涂层的晶粒度不同，进而在钻身1表面涂覆纳米晶金刚石涂层或类金刚石的碳基涂层，在钻尖2表面涂覆微米晶金刚石涂层。
挡热筒的高度与钻身1等高，挡热筒高度低于钻尖相当于钻头直径1-1.5倍长度(即过渡区)。
作为优选的技术方案，本发明所述金刚石涂层钻头的制备方法包括以下步骤：
(1)分别对钻头基体进行碱洗和酸洗，然后使用含有金刚石微粉的有机溶液对其进行超声波清洗，得到表面经过粗化的钻头；
(2)将步骤(1)预处理后的钻头固定于热丝化学气相沉积装置的夹具上，钻头外侧设置高度可以调节的挡热筒，调整挡热筒的高度与钻身1等高，然后对钻头表面进行化学气相沉积得到金刚石涂层，沉积结束后，在钻身1表面涂覆纳米晶金刚石涂层或类金刚石的碳基涂层，在钻尖2表面涂覆微米晶金刚石涂层。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的钻头在钻尖涂覆耐磨性能优异的微米晶金刚石涂层，有效的提高了钻头工作部位的磨削性能；而在钻身(排屑槽、刃带及刃背)涂覆切屑排出性优异的纳米晶或超纳米晶金刚石涂层或类金刚石涂层等摩擦系数低的碳基涂层；通过分别涂覆，能够获得耐磨性能和切屑排出性能都十分优异的金刚石涂层钻头，进而提高了钻头的工作效率，延长其使用寿命，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的金刚石涂层钻头的结构示意图，其中，1-钻身，2-钻尖，3-过渡区；
图2是本发明实施例1在钻尖涂覆的微米晶涂层的扫描照片；
图3是本发明实施例1在钻身涂覆的纳米晶涂层的扫描照片；
图4是本发明制备金刚石涂层钻头时的热丝化学气相沉积装置示意图。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
本发明在具体实施部分提供了一种金刚石涂层钻头，所述钻头包括钻身1和钻尖2，所述钻身1涂覆纳米晶金刚石涂层或类金刚石的碳基涂层；所述钻头2涂覆微米晶金刚石涂层；所述钻头还包括过渡区3，所述过渡区3位于钻身1和钻尖2之间。
优选地，所述过渡区3的长度为所述钻头直径的1-1.5倍。
优选地，所述钻身1涂覆的纳米晶涂层的晶粒度＜0.5μm。
优选地，所述钻尖2涂覆的微米晶涂层的晶粒度为0.5-5μm。
优选地，所述钻头表面涂层的厚度为3-30μm。
优选地，所述钻头的基体为硬质合金，优选为碳化钨基硬质合金，进一步优选为WC-Co合金。
本发明在具体实施例部分还提供了一种金刚石涂层钻头的制备方法，所述方法为：利用热丝化学气相法在钻头的钻身1表面沉积纳米晶金刚石涂层或类金刚石的碳基涂层，在钻尖2表面沉积微米晶金刚石涂层。
优选地，在所述热丝化学气相沉积前对钻头进行预处理，所述预处理为：分别对钻头基体进行碱洗和酸洗，然后使用含有金刚石微粉的有机溶液对其进行超声波清洗，得到表面经过粗化的钻头。
优选地，在进行沉积时，钻头固定于热丝化学气相沉积装置的夹具上，钻头外侧设置高度可以调节的挡热筒，调整挡热筒的高度与钻身1等高，然后对其进行化学气相沉积。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例提供一种金刚石涂层钻头，如图1所示，所述钻头包括钻身1和钻尖2，所述钻身1涂覆有纳米晶金刚石涂层，涂层厚度为10μm；所述钻尖2涂覆有微米晶金刚石涂层，涂层厚度为10.5μm；所述钻身1和钻尖2之间存在长度为钻头直径1.2倍的过渡区3，过渡区3涂覆的金刚石涂层的晶粒度介于钻身1涂覆的纳米晶和钻尖2涂覆的微米晶之间，涂层的平均厚度为10.2μm；所述钻头的基体为为WC-Co合金。
对本实施例得到的钻头的钻身和钻尖分别进行SEM扫描，如图2和图3所示，在钻身得到了平均晶粒度约为10-100nm纳米晶金刚石涂层，在钻尖得到了平均晶粒度约为1-1.5μm的微米晶金刚石涂层。
按照以下方法制备上述金刚石涂层钻头：
(1)分别对钻头基体进行碱洗和酸洗，然后使用含有金刚石微粉的有机溶液对其进行超声波清洗，得到表面经过粗化的钻头；
(2)将步骤(1)预处理后的钻头固定于热丝化学气相沉积装置的夹具上，钻头外侧设置高度可以调节的挡热筒，调整挡热筒的高度与钻身1等高，然后对钻头表面进行化学气相沉积，调节基体温度和沉积时间，在钻身1表面涂覆厚度为10μm的纳米晶金刚石涂层，在钻尖2表面涂覆厚度为10.5μm的微米晶金刚石涂层。
实施例2
本实施例提供一种金刚石涂层钻头，所述钻头包括钻身1和钻尖2，所述钻身1涂覆有平均晶粒度约为20-150nm的纳米晶金刚石涂层，涂层厚度为18μm；所述钻尖2涂覆有平均晶粒度约为1-2μm的微米晶金刚石涂层，涂层厚度为20μm；所述钻身1和钻尖2之间存在长度为钻头直径1.5倍的过渡区3，过渡区3涂覆的金刚石涂层的晶粒度介于钻身1涂覆的纳米晶和钻尖2涂覆的微米晶之间，涂层的平均厚度为19.2μm；所述钻头的基体为为WC-Co合金。
制备金刚石涂层钻头的方法同实施例1，通过调节基体温度和沉积时间，在钻身1表面涂覆厚度为18μm的纳米晶金刚石涂层，在钻尖2表面涂覆厚度为20μm的微米晶金刚石涂层。
实施例3
本实施例提供一种金刚石涂层钻头，所述钻头包括钻身1和钻尖2，所述钻身1涂覆有平均晶粒度约为20-200nm的纳米晶金刚石涂层，涂层厚度为8μm；所述钻头2涂覆有平均晶粒度约为0.5-3μm的微米晶金刚石涂层，涂层厚度为12μm；所述钻身1和钻尖2之间存在长度为钻头直径1倍的过渡区3，过渡区3涂覆的金刚石涂层的晶粒度介于钻身1涂覆的纳米晶和钻尖2涂覆的微米晶之间，涂层的平均厚度为10.5μm；所述钻头的基体为为WC-Co合金。
制备金刚石涂层钻头的方法同实施例1，通过调节基体温度和沉积时间，在钻身1表面涂覆厚度为8μm的纳米晶金刚石涂层，在钻尖2表面涂覆厚度为12μm的微米晶金刚石涂层。
对比例1
本对比例提供一种金刚石涂层钻头，所述钻头包括钻身1和钻尖2，所述钻身1和钻尖2涂覆有平均晶粒度约为20-150nm的纳米晶金刚石涂层，涂层厚度为18μm；所述钻头的基体为为WC-Co合金。
除了不使用挡热筒外，制备金刚石涂层钻头的方法同实施例1，在钻身1和钻尖2表面涂覆厚度为18μm的纳米晶金刚石涂层。
使用本对比例提供的金刚石涂层钻头进行工作时，由于钻尖的耐磨性能不足，降低了钻头的使用寿命。
对比例2
本对比例提供一种金刚石涂层钻头，所述钻头包括钻身1和钻尖2，所述钻身1和钻尖2涂覆有平均晶粒度约为1-2μm的微米晶金刚石涂层，涂层厚度为20μm；所述钻头的基体为为WC-Co合金。
除了不使用挡热筒外，制备金刚石涂层钻头的方法同实施例1，在钻身1和钻尖2表面涂覆厚度为20μm的微米晶金刚石涂层。
使用本对比例提供的金刚石涂层钻头进行工作时，由于排屑槽表面涂层的粗糙度过高，导致切屑排出阻力较大，切屑在排屑槽容易堵塞，进而影响钻孔质量，还会产生断刀的现象。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种金刚石涂层钻头，其特征在于，所述钻头包括钻身(1)和钻尖(2)，所述钻身(1)涂覆纳米晶金刚石涂层或类金刚石的碳基涂层；所述钻尖(2)涂覆微米晶金刚石涂层；
所述钻身(1)涂覆的纳米晶涂层的晶粒度＜0.5μm；
所述钻尖(2)涂覆的微米晶涂层的晶粒度为0.5-5μm。
2.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述钻头还包括过渡区(3)，所述过渡区(3)位于钻身(1)和钻尖(2)之间。
3.如权利要求2所述的钻头，其特征在于，所述过渡区(3)的长度为所述钻头直径的1-1.5倍。
4.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述钻尖(2)涂覆的微米晶涂层的晶粒度为1-3μm。
5.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述钻头表面涂层的厚度为3-30μm。
6.如权利要求1所述的钻头，其特征在于，所述钻头的基体为硬质合金。
7.如权利要求6所述的钻头，其特征在于，所述钻头的基体为碳化钨基硬质合金。
8.如权利要求7所述的钻头，其特征在于，所述钻头的基体为WC-Co合金。
9.如权利要求1-8任一项所述的金刚石涂层钻头的制备方法，其特征在于，所述方法为：利用热丝化学气相法在钻头的钻身(1)表面沉积纳米晶金刚石涂层或类金刚石碳基涂层，在钻尖(2)表面沉积微米晶金刚石涂层。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述热丝化学气相沉积前对钻头进行预处理，所述预处理为：分别对钻头基体进行碱洗和酸洗，然后使用含有金刚石微粉的有机溶液对其进行超声波清洗，得到表面经过粗化的钻头。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，在进行沉积时，钻头固定于热丝化学气相沉积装置的夹具上，钻头外侧设置高度可以调节的挡热筒，调整挡热筒的高度与钻身(1)等高，然后对其进行化学气相沉积。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)分别对钻头基体进行碱洗和酸洗，然后使用含有金刚石微粉的有机溶液对其进行超声波清洗，得到表面经过粗化的钻头；
(2)将步骤(1)预处理后的钻头固定于热丝化学气相沉积装置的夹具上，钻头外侧设置高度可以调节的挡热筒，调整挡热筒的高度与钻身(1)等高，然后对钻头表面进行化学气相沉积得到金刚石涂层，沉积结束后，在钻身(1)表面涂覆纳米晶金刚石涂层或类金刚石碳基涂层，在钻尖(2)表面涂覆微米晶金刚石涂层。
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