CN109207955A - 适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺，所述硬质合金基体的材质为碳化钨和钴，其特征在于，利用硬质合金基体中碳化钨和钴两种物质熔点不同的原理，采用激光烧蚀方法降低硬质合金基体表层的钴元素含量，消除钴元素在金刚石制备过程的催石墨化作用；然后利用超声粗化处理工艺，对激光烧蚀后的基体进行超声处理，使得基体表面粗化，提高金刚石颗粒与基体的机械锁合力，提高涂层与基体的结合强度。本发明在实现硬质合金基体表层钴元素的汽化去除的同时，不影响碳化钨的基体结构，有效避免酸溶液在化学腐蚀过程中，对硬质合金基体韧性损伤的问题。

Description

适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺
技术领域
本发明属于涂层前的预处理技术领域，特别地是提供了一种适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺方法。
背景技术
化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)金刚石涂层具有接近天然金刚石的高硬度、高耐磨性、高热导率、低摩擦系数和良好的化学惰性等诸多优异性能。硬质合金由于其独特的机械物理性能，广泛应用于刀具和模具领域。为了进一步增加硬质合金制品的性能，在硬质合金表面沉积CVD金刚石涂层是工业常用的方法之一。
为了消除硬质合金中钴元素在金刚石涂层制备过程中的催石墨化作用以及提高薄膜与基体的结合强度，在制备金刚石涂层之前，必须对硬质合金基体进行预处理。目前国内外应用的预处理方法主要是“碱+酸”的两步法化学预处理。首先是用碱溶液(K3[Fe(CN)6+KOH+H2O])对硬质合金基体进行超声处理，使得基体表面粗化，以提高金刚石颗粒与基体间的机械锁合力，提高薄膜与基体的结合强度。然后，用酸溶液(HCl+H2O2或H2SO4+H2O2)对已粗化的基体进行处理，去除基体表层的钴元素，消除钴元素在涂层沉积过程中的催石墨化作用。
然而，化学预处理会导致两个严重的问题，一是对基体的强度和韧性有明显的破坏作用；二是化学反应的可控性低，基体处理的腐蚀深度不可控。
经对现有技术的专利检索发现，已有的硬质合金基体制备金刚石涂层的预处理工艺，均是采用前述的“碱+酸”的两步法化学预处理方法。比如：中国专利申请号201610027985.6和201110028846.2，化学预处理方法损伤硬质合金基体的问题没有得到解决。
发明内容
本发明所要解决的问题是：现有硬质合金预处理工艺采用化学与处理，破坏基体的强度和任性，且化学反应可控性低的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺，所述硬质合金基体的材质为碳化钨和钴，其特征在于，利用硬质合金基体中碳化钨和钴两种物质熔点不同的原理，采用激光烧蚀方法降低硬质合金基体表层的钴元素含量，消除钴元素在金刚石制备过程的催石墨化作用；然后利用超声粗化处理工艺，对激光烧蚀后的基体进行超声处理，使得基体表面粗化，提高金刚石颗粒与基体的机械锁合力，提高涂层与基体的结合强度。
优选地，所述硬质合金基体中钴的质量含量为6％～8％。
优选地，上述工艺具体为：硬质合金基体依次经过第一次超声清洗、激光烧蚀表层脱钴、超声处理表面粗化、第二次超声清洗、吹干，成为预处理后的无损伤基体。
更优选地，所述第一次超声清洗所采用的洗涤剂为丙酮，超声的频率为40kHz。丙酮的纯度为分析纯。
更优选地，所述激光烧蚀表层脱钴采用激光发生器产生的激光束对硬质合金基体表面进行处理，激光束在硬质合金基体表面的热量所产生的温度介于钴与碳化钨的熔点之间；激光发生器的工作参数为：能量密度1.5～2.5J/cm2，脉冲宽度20～50fs。
更优选地，所述超声处理表面粗化是将硬质合金基体浸没于流体介质中进行超声处理，超声的频率为40kHz，处理时间为25～30min，避免表面“粗糙度”过大而引起基体表面产生疏松层。
进一步地，所述流体介质为：粒度W1～W5的金刚石微粉、去离子水与丙三醇以(0.5～1)g:(500～1000)mL:(20～50)mL的比例混合的流体介质研磨液，
更优选地，所述第二次超声清洗为：先采用无水乙醇去除表面金刚石微粉残留，再采用纯净水对硬质合金基体进行超声清洗；超声的频率均为40kHz，无水乙醇的清洗时间为5～10min。无水乙醇的纯度为分析纯。
更优选地，所述吹干采用的设备为电热吹风机或烘干机。
本发明利用硬质合金组成成份中碳化钨(WC)和钴(Co)两种物质熔点差异大的物理特性，采用“激光烧蚀”的方法，使得硬质合金表层的Co在高温状态下烧蚀汽化，而不影响WC结构。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)利用碳化钨和钴两种物质熔点差异大的物理原理，利用激光烧蚀处理工艺，实现硬质合金基体表层钴元素的汽化去除，而不影响碳化钨的基体结构。有效避免酸溶液在化学腐蚀过程中，对硬质合金基体韧性损伤的问题；
(2)以金刚石粉、去离子水和丙三醇混合溶液为流体介质研磨液，对烧蚀后的硬质合金基体进行“流体介质”超声处理，实现基体表面的粗化处理。在金刚石涂层沉积过程中，增强金刚石颗粒与基体的机械锁合作用，有效避免碱溶液化学处理导致基体强度降低的问题。
附图说明
图1为硬质合金基体(WC-6wt％Co)的钴含量EDS检测谱图；
图2为“碱+酸”化学预处理后基体的钴含量EDS检测谱图；
图3为实施例1中预处理后基体的钴含量EDS检测谱图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，作详细说明如下。
实施例1
一种硬质合金基体无损伤预处理工艺：
所述硬质合金基体为平片式硬质合金(WC-6wt％Co)基体，规格为15mm×15mm×5mm。
(1)超声清洗：将平片式基体浸没于丙酮中，设置超声波清洗机的工作频率为40kHz，超声清洗5min，取出，自然风干。
(2)激光烧蚀表层脱钴：将超声清洗后的基体置于夹具上，调节激光发生器的参数：能量密度1.5J/cm2，脉冲宽度20fs。激光束辐射在基体表面，往复式移动基体，维持激光烧蚀时间30s。
(3)超声处理表面粗化：将上述(2)中烧蚀后的基体，浸没于流体介质溶液(W1金刚石微粉：去离子水：丙三醇＝0.5g:500mL:20mL)中，设置超声波清洗机的工作频率为40kHz，超声处理25min。
(4)超声清洗：将上述(3)中处理后的基体浸没于无水乙醇中，设置超声波清洗机的工作频率为40kHz，超声处理5min，取出，自然风干。
(5)超声清洗：将上述(4)中处理后的基体，浸没于纯浄水中，设置超声波清洗机的工作频率为40kHz，超声处理5min，取出，电热吹风机吹干。
将上述制得的硬质合金基体与处理前的硬质合金基体及传统“碱+酸”两步法化学预处理后的基体进行对比，对比数据如表1、图1-3所示。
表1
由表1及图1-3可知，采用本发明预处理后的基体表面硬度无降低。同时，表面的钴含量得到有效地“去除”，满足金刚石涂层制备对基体处理的要求。
实施例2
一种硬质合金基体无损伤预处理工艺：
所述硬质合金基体为圆柱形硬质合金(WC-8wt％Co)基体，规格
(1)超声清洗：将圆柱形基体浸没于丙酮中，设置超声波清洗机的工作频率为40kHz，超声清洗5min，取出，自然风干。
(2)激光烧蚀表层脱钴：将超声清洗后的基体置于夹具上，调节激光发生器的参数：能量密度2.5J/cm2，脉冲宽度50fs。激光束辐射在基体表面，往复式移动基体，维持激光烧蚀时间30s。
(3)超声处理表面粗化：将上述(2)中烧蚀后的基体，浸没于流体介质溶液(W1金刚石微粉：去离子水：丙三醇＝1g:800mL:40mL)中，设置超声波清洗机的工作频率为40kHz，超声处理25min。
(4)超声清洗：将上述(3)中处理后的基体浸没于无水乙醇中，设置超声波清洗机的工作频率为40kHz，超声处理5min，取出，自然风干。
(5)超声清洗：将上述(4)中处理后的基体，浸没于纯浄水中，设置超声波清洗机的工作频率为40kHz，超声处理5min，取出，电热吹风机吹干。

Claims (9)

1.一种适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺，所述硬质合金基体的材质为碳化钨和钴，其特征在于，利用硬质合金基体中碳化钨和钴两种物质熔点不同的原理，采用激光烧蚀方法降低硬质合金基体表层的钴元素含量，消除钴元素在金刚石制备过程的催石墨化作用；然后利用超声粗化处理工艺，对激光烧蚀后的基体进行超声处理，使得基体表面粗化，提高金刚石颗粒与基体的机械锁合力，提高涂层与基体的结合强度。
2.如权利要求1所述的适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺，其特征在于，所述硬质合金基体中钴的质量含量为6％～8％。
3.如权利要求1或2所述的适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺，其特征在于，具体为：硬质合金基体依次经过第一次超声清洗、激光烧蚀表层脱钴、超声处理表面粗化、第二次超声清洗、吹干，成为预处理后的无损伤基体。
4.如权利要求3所述的适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺，其特征在于，所述第一次超声清洗所采用的洗涤剂为丙酮，超声的频率为40kHz。
5.如权利要求3所述的适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺，其特征在于，所述激光烧蚀表层脱钴采用激光发生器产生的激光束对硬质合金基体表面进行处理，激光束在硬质合金基体表面的热量所产生的温度介于钴与碳化钨的熔点之间；激光发生器的工作参数为：能量密度1.5～2.5J/cm2，脉冲宽度20～50fs。
6.如权利要求3所述的适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺，其特征在于，所述超声处理表面粗化是将硬质合金基体浸没于流体介质中进行超声处理，超声的频率为40kHz，处理时间为25～30min。
7.如权利要求6所述的适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺，其特征在于，所述流体介质为：粒度W1～W5的金刚石微粉、去离子水与丙三醇以(0.5～1)g:(500～1000)mL:(20～50)mL的比例混合的流体介质研磨液。
8.如权利要求3所述的适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺，其特征在于，所述第二次超声清洗为：先采用无水乙醇，再采用纯净水对硬质合金基体进行超声清洗；超声的频率均为40kHz，无水乙醇的清洗时间为5～10min。
9.如权利要求3所述的适用于金刚石涂层制备的硬质合金基体无损伤预处理工艺，其特征在于，所述吹干采用的设备为电热吹风机或烘干机。
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