CN111041448A - 含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法及具有金刚石涂层的工模具 - Google Patents

含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法及具有金刚石涂层的工模具 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法及具有金刚石涂层的工模具，对样品表面进行喷砂、洁净处理，为超声研磨植晶阶段中金刚石微粒的高密度、均匀化以及生长的金刚石涂层的机械铆合“镶嵌”效应提供理想的基础，提高了植晶均匀性和“镶嵌”效应，选择高铝含量的三元氮化物涂层作为插入层，插入层高温稳定、不会与周围介质反应、对钴的固溶度几乎为零，插入层的热膨胀系数介于金刚石涂层和硬质合金基体之间，可有效地抑制硬质合金基体中的钴元素向外扩散，提高金刚石涂层形核的界面强度和金刚石涂层的质量，以有效提高金刚石涂层的膜基结合力及金刚石涂层自身的质量。

Description

含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法及具有金刚石涂层 的工模具
技术领域
本发明涉及硬质合金表面处理技术领域，特别是涉及一种含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法及具有金刚石涂层的工模具。
背景技术
随着先进制造业的快速发展，有色金属及合金、复合材料、石墨以及陶瓷等新材料被广泛应用，因此对硬质合金工模具的要求越来越高，硬质合金工模具表面涂敷金刚石涂层已经成为研究热点。但是金刚石涂层同硬质合金间的膜基结合力弱，导致使用过程中金刚石涂层易于剥落，从而难以发挥金刚石涂层的优异性能，这成为了行业内的共性技术难点。
针对钴粘结的含钴硬质合金，影响膜基结合力和金刚石涂层质量的关键在于有效控制钴在金刚石沉积过程中的扩散。目前，解决高温下钴扩散的方式，包括酸碱浸蚀两步法去除表面钴、将表面钴转变为高温稳定相以及在沉积金刚石涂层前在硬质合金表面插入中间层等。插入的中间层主要为难熔金属单质，Ti、Cr、Zr、W、Mo、Nb、Ta、V、Hf等的二元碳化物或氮化物及其混合结构,也包括Al2O3，SiC，SiO2，Si3N4化合物等。
在沉积金刚石涂层前在硬质合金表面插入中间层的方法虽然在一定程度上有助于提高金刚石的结合力，但在使用过程中金刚石涂层过早剥落的现象依然十分突出。经过对难熔金属单质、二元碳化物或氮化物插入中间层对金刚石的植晶、形核、生长阶段组织结构的影响进行了较系统的深入研究，发现金刚石形核、生长过程中界面处的二元/三元化合物分解、界面反应、过渡层同基体及金刚石间的热膨胀差异导致界面缺陷产生，从而为硬质合金中钴向金刚石生长界面扩散提供了快速通道。这严重影响了金刚石涂层的膜基结合强度及金刚石涂层自身的质量。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种可以有效提高金刚石涂层的膜基结合力及金刚石涂层自身的质量的含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法及具有金刚石涂层的工模具。
一种含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，包括以下步骤：
对硬质合金样品的表面进行喷砂处理；
对经过喷砂处理后的硬质合金样品的表面进行洁净处理；
采用物理气相沉积方法在洁净处理后的硬质合金样品的表面沉积高铝含量的三元氮化物涂层作为插入层；
将沉积有插入层的硬质合金样品置于含金刚石粉体的悬浮液中超声研磨植晶；
采用热丝化学气相沉积法在植晶处理后的硬质合金样品表面制备金刚石涂层，插入层的热膨胀系数介于金刚石涂层与硬质合金之间。
在其中一个实施例中，步骤对硬质合金样品的表面进行喷砂处理前还包括：
对硬质合金样品的表面进行抛光处理。
在其中一个实施例中，步骤对硬质合金样品的表面进行喷砂处理具体包括：
依次对硬质合金样品的表面实施干喷砂和湿喷砂，以获得表面粗糙度Ra为0.3μm-0.4μm。
在其中一个实施例中，实施干喷砂和湿喷砂时，喷枪枪口与硬质合金样品表面的间距为45mm-55mm，喷射角为85°-95°，干喷砂采用320目白刚玉砂，喷砂压力为0.30MPa-0.40MPa，时间60s-120s；湿喷砂采用600目白刚玉砂，喷砂压力0.20MPa-0.40MPa，时间90s-150s。
在其中一个实施例中，步骤对经过喷砂处理后的硬质合金样品的表面进行洁净处理具体包括：
采用超声波方式去除喷砂处理后的硬质合金样品表面的油污与残留砂粒，超声频率为25KHz-30KHz，超声强度为20W/L-30W/L，超声时间为20min-30min。
在其中一个实施例中，步骤采用物理气相沉积方法在洁净处理后的硬质合金样品的表面沉积高温下稳定的高铝含量的三元化物涂层作为插入层具体包括：
将经过喷砂处理后的硬质合金样品置入真空镀膜装置，采用磁控溅射或多弧离子镀沉积Al-Cr-N或Al-Ti-N三元系涂层，真空室温度400℃-600℃。
在其中一个实施例中，步骤将沉积有插入层的硬质合金样品置于含金刚石粉体的悬浮液中超声研磨植晶中：
悬浮液中金刚石粉体：乙二醇：乙醇的比例为5g-20g：5ml-10ml：1000ml，超声频率为25KHz-30KHz，超声强度为30W/L-50W/L，超声时间为10min-20min。
在其中一个实施例中，步骤将沉积有插入层的硬质合金样品置于含金刚石粉体的悬浮液中超声研磨植晶后还包括：
将经过研磨植晶后的硬质合金样品置于纯乙醇中再次超声，超声频率为25KHz-30KHz，超声强度为30W/L-50W/L，超声时间为10min-20min，以去除硬质合金表面不牢固的金刚石颗粒。
在其中一个实施例中，步骤采用热丝化学气相沉积法在植晶处理后的硬质合金样品表面制备金刚石涂层具体包括：
将植晶处理后的硬质合金样品置于热丝化学气相沉积装置中，采用甲烷：氢气的混合工作气体按质量流量百分比为2%：98%，样品表面温度750℃-850℃，生长气压1KPa-5KPa导入反应腔室，生长金刚石涂层厚度2μm-8μm。
上述含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法至少具有以下优点：
对硬质合金样品的表面进行喷砂处理，对经过喷砂处理后的硬质合金样品的表面进行洁净处理，为后续超声研磨植晶阶段中金刚石微粒的高密度、均匀化以及生长的金刚石涂层的机械铆合“镶嵌”效应提供理想的基础，进一步提高了金刚石涂层的植晶均匀性和金刚石涂层的“镶嵌”效应，而且选择高铝含量的三元氮化物涂层作为插入层，插入层高温稳定、不会与周围介质反应、对钴的固溶度几乎为零，插入层的热膨胀系数介于金刚石涂层和硬质合金基体之间，因此可以有效地抑制硬质合金基体中的钴元素向外扩散，提高金刚石涂层形核的界面强度和金刚石涂层的质量，进而可以有效提高金刚石涂层的膜基结合力及金刚石涂层自身的质量。
一种具有金刚石涂层的工模具，包括：
硬质合金基体，所述硬质合金基体的表面粗糙度Ra为0.3μm-0.4μm；
插入层，沉积于所述硬质合金基体的表面，所述插入层为高铝含量的三元氮化物涂层，所述插入层的厚度范围为0.5μm-1.0μm；及
金刚石涂层，通过超声研磨植晶的方式结合热丝化学气相沉积法沉积在所述插入层背向于所述硬质合金基体的表面，所述金刚石涂层的厚度范围为2μm-8μm，所述插入层的热膨胀系数介于所述金刚石涂层与所述硬质合金基体之间、且具有在900oC以上、在沉积金刚石涂层的工况下组织结构稳定的特性。
上述具有金刚石涂层的工模具至少具有以下优点：
由于硬质合金基体的表面粗糙度Ra为0.3μm-0.4μm，插入层沉积于硬质合金表面，插入层为高铝含量的三元氮化物涂层，金刚石涂层通过超声研磨植晶的方式结合热丝化学气相沉积法沉积于插入层背向于硬质合金基体的表面，进一步提高了金刚石涂层的植晶均匀性和金刚石涂层的“镶嵌”效应，而且插入层高温稳定、不会与周围介质反应、对钴的固溶度几乎为零，插入层的热膨胀系数介于金刚石涂层和硬质合金基体之间，因此可以有效地抑制硬质合金基体中的钴元素向外扩散，提高金刚石涂层形核的界面强度和金刚石涂层的质量，进而可以有效提高金刚石涂层的膜基结合力及金刚石涂层自身的质量。
附图说明
图1为一实施方式中的含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
请参阅图1，一实施方式中的含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，包括以下步骤：
步骤S110，对硬质合金样品的表面进行喷砂处理。通过喷砂预处理，获得理想的硬质合金表面粗糙度，为植晶阶段中金刚石微粒的高密度、均匀化以及生长的金刚石涂层的机械铆合“镶嵌”效应提供理想的基础。
进一步地，步骤S110之前还包括步骤S100，对硬质合金样品的表面进行抛光处理，以初步降低硬质合金样品的表面粗糙度。
具体地，步骤S110：对硬质合金样品的表面进行喷砂处理具体包括：
依次对硬质合金样品的表面实施干喷砂和湿喷砂。采用正交试验，控制喷砂砂粒径、喷砂压力、干喷砂和湿喷砂的顺序，控制表面粗糙度Ra为0.3μm-0.4μm时，获得的金刚石涂层晶形和结合力佳。实施干喷砂和湿喷砂时，喷枪枪口与硬质合金样品表面的间距为45mm-55mm，例如间距为50mm，喷射角为85°-95°，例如喷射角为90°。干喷砂采用320目白刚玉砂，喷砂压力为0.30MPa-0.40MPa，时间60s-120s；湿喷砂采用600目白刚玉砂，喷砂压力0.20MPa-0.40MPa，时间90s-150s。
步骤S120，对经过喷砂处理后的硬质合金样品的表面进行洁净处理。具体地，可以采用市售的金属清洗剂，并利用超声波的方式去除喷砂处理后的硬质合金样品表面的油污和残留砂粒，超声频率为25KHz-30KHz，例如超声频率为28KHz，超声强度为20W/L-30W/L，超声时间为20min-30min，然后将硬质合金样品漂洗烘干后待用。
步骤S130，采用物理气相沉积方法在洁净处理后的硬质合金样品的表面沉积高铝含量的三元氮化物涂层作为插入层，其中插入层的厚度范围为0.5μm-1.0μm。高铝含量是指成分中铝的含量为55at%-70at%。本实施方式中，优选铝含量为60at%-70at%。
具体地，将经过喷砂处理后的硬质合金样品置入真空镀膜装置中，并采用磁控溅射或多弧离子镀沉积Al-Cr-N或Al-Ti-N三元系涂层，真空室温度400℃-600℃，获得插入层的厚度为0.5μm-1.0μm。硬质合金样品在真空炉中冷却到150℃以下取出待用。Al-Cr-N或Al-Ti-N三元系涂层的热稳定温度高于900摄氏度，避免其在金刚石涂层生长中与碳源反应，导致插入层体积膨胀变化而破损，为钴的扩散提供通道。
步骤S140，将沉积有插入层的硬质合金样品置于含金刚石粉体的悬浮液中超声研磨植晶。具体地，悬浮液中金刚石粉体：乙二醇：乙醇的比例为5g-20g：5ml-10ml：1000ml，超声频率为25KHz-30KHz，例如28KHz，超声强度为30W/L-50W/L，超声时间为10min-20min。
步骤S140之后还包括步骤S141，将经过植晶后的硬质合金样品置于化学纯乙醇中再次超声，超声频率为25KHz-30KHz，例如28KHz，超声强度为30W/L-50W/L，超声时间为10min-20min，以去除硬质合金表面不牢固的金刚石颗粒。以超声清洗后表面SEM-EDS不再检出氧化铝（刚玉）成分为标准。
步骤S150，采用热丝化学气相沉积法在植晶处理后的硬质合金样品表面制备金刚石涂层，并控制金刚石涂层的厚度范围为2μm-8μm，插入层的热膨胀系数介于金刚石涂层与硬质合金之间。
具体地，将植晶处理后的硬质合金样品置于热丝化学气相沉积装置中，采用甲烷：氢气的混合工作气体按质量流量百分比为2%：98%，样品表面温度750℃-850℃，生长气压1KPa-5KPa导入反应腔室，生长金刚石厚度2μm-8μm。
上述含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法至少具有以下优点：
对硬质合金样品的表面进行喷砂处理，对经过喷砂处理后的硬质合金样品的表面进行洁净处理，获得表面粗糙度Ra为0.3μm-0.4μm的硬质合金表面，为后续超声研磨植晶阶段中金刚石微粒的高密度、均匀化以及生长的金刚石涂层的机械铆合“镶嵌”效应提供理想的基础，进一步提高了金刚石涂层的植晶均匀性和金刚石涂层的“镶嵌”效应，而且选择高铝含量的三元氮化物涂层作为插入层，插入层高温稳定、不会与周围介质反应、对钴的固溶度几乎为零，插入层的热膨胀系数介于金刚石涂层和硬质合金基体之间，因此可以有效地抑制硬质合金基体中的钴元素向外扩散，提高金刚石涂层形核的界面强度和金刚石涂层的质量，进而可以有效提高金刚石涂层的膜基结合力及金刚石涂层自身的质量。
为更好地理解本发明，下面结合3个具体的实施例（1-3）以及比较实施例4（传统的两步法在Y10硬质合金的表面制备金刚石涂层）来进行详细说明，但本发明的实施例不仅限于此。
实施例1
YG6硬质合金的表面制备金刚石涂层的方法
1）将经过表面抛光后的φ20mm*5mm YG6硬质合金样品依序实施干喷砂和湿喷砂。喷枪枪口与YG6硬质合金样品表面的间距为50mm，喷射角90o。干喷砂采用320目白刚玉砂，喷砂压力为0.3MPa，时间60s；湿喷砂采用600目白刚玉砂，喷砂压力为0.2MPa，时间150s。
2）采用市售WIN-92金属清洗剂（WIN-92是一种多功能高效水基清洗剂，含有多种表面活性剂、碱性助剂，渗透剂，除油能力强）的超声波槽去除YG6硬质合金表面油污和残留砂粒，超声频率28KHz，超声强度30W/L，超声时间20min；漂洗烘干后待用，获得表面粗糙度Ra为0.37μm的硬质合金表面。
3）将洁净处理后的YG6硬质合金样品置入真空镀膜装置，多弧离子镀沉积Al-Cr-N三元系涂层，靶材为Al60Cr40，真空室沉积温度600℃,获得涂层（作为插入层）为Al60Cr40N，YG6硬质合金样品在真空炉内冷却到150℃以下取出待用，制备的插入层厚度为0.94微米。
4）将含有插入层的YG6硬质合金样品置于含金刚石粉体的悬浮液中超声研磨植晶；悬浮液中金刚石粉体：乙二醇：乙醇的比例为5g：5ml：1000ml,超声频率28kHz，超声功率30W/L，超声时间10分钟；将前述经过超声研磨植晶后的YG6硬质合金样品置入纯乙醇中再次超声，超声参数为频率28kHz，超声功率30W/L，超声时间20分钟；以去除YG6硬质合金表面不牢固的金刚石颗粒。
5）将植晶处理后的YG6硬质合金样品置入热丝化学气相沉积装置中，采用甲烷：氢气的混合工作气体按质量流量百分比的2%:98%，样品表面温度800℃，生长气压1KPa导入反应腔室，生长金刚石厚度8μm。
实施例2
YG10硬质合金的表面制备金刚石涂层的方法
1）将经过表面抛光后的φ20mm*5mm YG10硬质合金样品依序实施干喷砂和湿喷砂。喷枪枪口与YG10硬质合金样品表面间距为50mm，喷射角90°。干喷砂采用320目白刚玉砂，喷砂压力为0.3MPa，时间120s；湿喷砂采用600目白刚玉砂，喷砂压力为0.4MPa，时间90s。
2）采用市售WIN-92金属清洗剂的超声波槽去除YG10硬质合金样品表面油污，超声频率28KHz，超声强度30W/L，超声时间30min；漂洗烘干后待用，获得表面表面粗糙度Ra为0.39μm的硬质合金表面。
3）将洁净处理后的YG10硬质合金样品置入真空镀膜装置，磁控溅射镀沉积Al-Cr-N三元系涂层，靶材为Al70Cr30，真空室沉积温度550℃,获得涂层（作为插入层）为Al70Cr30N，YG10硬质合金样品在真空炉内冷却到150℃以下取出待用，制备的插入层厚度为0.53微米。
4）将含有插入层的YG10硬质合金样品置于含金刚石粉体的悬浮液中超声研磨植晶；悬浮液中金刚石粉体：乙二醇：乙醇的比例为20g：10ml：1000ml,超声频率28kHz，超声功率50W/L，超声时间10分钟；前述经过超声研磨植晶后的YG10硬质合金样品置入纯乙醇中再次超声，超声参数为频率28kHz，超声功率50W/L，超声时间20分钟；以去除YG10硬质合金表面不牢固的金刚石颗粒。
5）将植晶处理后的YG10硬质合金样品置入热丝化学气相沉积装置中，采用甲烷：氢气的混合工作气体按质量流量百分比的2%:98%，样品表面温度800℃，生长气压5KPa导入反应腔室，生长金刚石厚度2.2μm，生长金刚石时间3小时。
实施例3
YG6硬质合金的表面制备金刚石涂层的方法
1）将经过表面抛光后的φ20mm*5mm YG6硬质合金样品依序实施干喷砂和湿喷砂。喷枪枪口与YG6硬质合金样品表面间距为50mm，喷射角90°。干喷砂采用320目白刚玉砂，喷砂压力为0.3MPa，时间90s；湿喷砂采用600目白刚玉砂，喷砂压力为0.2MPa，时间120s。
2）采用市售WIN-92金属清洗剂的超声波槽去除YG6硬质合金样品表面油污，超声频率28KHz，超声强度25W/L，超声时间15min；漂洗烘干后待用，获得表面表面粗糙度Ra为0.33μm的硬质合金表面。
3）将洁净处理后的YG6硬质合金样品置入真空镀膜装置，多弧离子镀沉积Al-Ti-N三元系涂层，靶材为Al65Ti35，真空室沉积温度600℃,获得涂层（作为插入层）为Al65Ti35N，YG6硬质合金样品在真空炉内冷却到150℃以下取出待用，制备的插入层厚度为0.79微米。
4）将含有插入层的YG6硬质合金样品置于含金刚石粉体的悬浮液中超声研磨；悬浮液中金刚石粉体：乙二醇：乙醇的比例为10g：5ml：1000ml,超声频率28kHz，超声功率30W/L，超声时间10分钟；将前述经过超声研磨植晶后的YG6硬质合金样品置入纯乙醇中再次超声，超声参数为频率28kHz，超声功率40W/L，超声时间15分钟；以去除YG6硬质合金表面不牢固的金刚石颗粒。
5）将植晶处理后的YG6硬质合金样品置入热丝化学气相沉积装置中，采用甲烷：氢气的混合工作气体按质量流量百分比的2%:98%，样品表面温度800℃，生长气压1KPa导入反应腔室，生长金刚石厚度8μm。
比较实施例4
两步法在YG10硬质合金的表面制备金刚石涂层
1）将φ20mm*5mm的YG10硬质合金圆片试样用WIN-92清洗剂去除硬质合金表面油污，漂洗烘干后待用。
2）两步法预处理YG10硬质合金圆片试样。先用Murakami 试剂(K3Fe(CN)6:KOH:H2O=1:1:10)浸蚀YG10硬质合金圆片试样10 min，去离子水漂洗；再用Caro 酸(H2SO4:H2O2=3:7)浸蚀10s，去离子水漂洗后烘干。
3）将两步法预处理后的YG10硬质合金圆片试样依次置于金刚石粉体的悬浮液和纯乙醇中超声研磨；悬浮液中金刚石粉体：乙二醇：乙醇的比例为20g：10ml：1000ml,超声频率28kHz，超声功率50W/L，超声时间10分钟；然后将经过超声研磨植晶后的YG10硬质合金圆片试样置入纯乙醇中再次超声，超声参数为频率28kHz，超声功率40W/升，超声时间10分钟，以去除YG10硬质合金圆片试样表面不牢固的金刚石颗粒；取出YG10硬质合金圆片试样并烘干。
4）将植晶处理后的样品置入热丝化学气相沉积装置中，采用甲烷：氢气的混合工作气体按质量流量百分比的5%:95%，样品表面温度900℃，生长气压3KPa导入反应腔室，生长金刚石时间3小时。
本发明中含钴硬质合金氮化效果采用扫描电镜(SEM)及能谱仪（EDS）和X射线衍射（XRD）测试表征表面氮化效果；采用150Kg洛氏压痕的表面裂纹及涂层崩落状况、并按照德国标准HF1-HF6评级金刚石涂层结合力。上述实施例的SEM、EDS、XRD、洛氏压痕测试结果如表1所示。
表1
实施例1 实施例2 实施例3 比较实施例4
试样材料牌号 YG6 YG10 YG6 YG10
预处理 本发明-插入Al<sub>60</sub>Cr<sub>40</sub>N 本发明-插入Al<sub>70</sub>Cr<sub>30</sub>N 本发明-插入Al<sub>65</sub>Ti<sub>35</sub>N 传统酸碱浸蚀两步法
金刚石涂层完整性 完整 完整 完整 部分剥落
金刚石涂层中钴含量 未检测出 未检测出 未检测出 检测出
金刚石涂层的膜基结合力 HF3 HF3 HF3 HF5
本发明的另一实施方式中，还提供一种具有金刚石涂层的工模具，包括硬质合金基体、插入层及金刚石涂层。硬质合金基体的表面粗糙度Ra为0.3μm-0.4μm。可以通过表面抛光、干喷砂及湿喷砂并采用超声波清洗后获得该理想的表面粗糙度。例如，可以通过上述步骤S110和步骤S120后获得。
插入层沉积于硬质合金基体的表面，插入层为高铝含量的三元氮化物涂层，其中铝含量为55at%-70at%，优选60at%-70at%，插入层的厚度范围为0.5μm-1.0μm。例如，插入层可以为Al-Cr-N或Al-Ti-N三元系涂层。插入层的厚度可以为0.94μm、0.53μm或者0.79μm。插入层可以通过上述步骤S130获得。
金刚石涂层通过超声研磨植晶的方式结合热丝化学气相沉积法沉积在插入层背向于硬质合金基体的表面，金刚石涂层的厚度范围为2μm-8μm，插入层的热膨胀系数介于金刚石涂层与硬质合金基体之间。例如，金刚石涂层的厚度可以为8μm、2.2μm等。金刚石涂层可以通过上述步骤S140和步骤S150获得。
上述具有金刚石涂层的工模具至少具有以下优点：
由于硬质合金基体的表面粗糙度Ra为0.3μm-0.4μm，插入层沉积于硬质合金表面，插入层为高铝含量的三元氮化物涂层，金刚石涂层通过超声研磨植晶的方式沉积于插入层背向于硬质合金基体的表面，进一步提高了金刚石涂层的植晶均匀性和金刚石涂层的“镶嵌”效应，而且插入层高温稳定、不会与周围介质反应、对钴的固溶度几乎为零，插入层的热膨胀系数介于金刚石涂层和硬质合金基体之间，且且具有在沉积金刚石的工况下组织结构稳定的特性，因此可以有效地抑制硬质合金基体中的钴元素向外扩散，提高金刚石涂层形核的界面强度和金刚石涂层的质量，进而可以有效提高金刚石涂层的膜基结合力及金刚石涂层自身的质量。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
对硬质合金样品的表面进行喷砂处理；
对经过喷砂处理后的硬质合金样品的表面进行洁净处理；
采用物理气相沉积方法在洁净处理后的硬质合金样品的表面沉积高铝含量的三元氮化物涂层作为插入层；
将沉积有插入层的硬质合金样品置于含金刚石粉体的悬浮液中超声研磨植晶；
采用热丝化学气相沉积法在植晶处理后的硬质合金样品表面制备金刚石涂层，插入层的热膨胀系数介于金刚石涂层与硬质合金之间。
2.根据权利要求1所述的含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，其特征在于，步骤对硬质合金样品的表面进行喷砂处理前还包括：
对硬质合金样品的表面进行抛光处理。
3.根据权利要求1或2所述的含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，其特征在于，步骤对硬质合金样品的表面进行喷砂处理具体包括：
依次对硬质合金样品的表面实施干喷砂和湿喷砂，以获得表面粗糙度Ra为0.3μm-0.4μm。
4.根据权利要求3所述的含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，其特征在于，实施干喷砂和湿喷砂时，喷枪枪口与硬质合金样品表面的间距为45mm-55mm，喷射角为85°-95°，干喷砂采用320目白刚玉砂，喷砂压力为0.30MPa-0.40MPa，时间60s-120s；湿喷砂采用600目白刚玉砂，喷砂压力0.20MPa-0.40MPa，时间90s-150s。
5.根据权利要求1所述的含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，其特征在于，步骤对经过喷砂处理后的硬质合金样品的表面进行洁净处理具体包括：
采用超声波方式去除喷砂处理后的硬质合金样品表面的油污与残留砂粒，超声频率为25KHz-30KHz，超声强度为20W/L-30W/L，超声时间为20min-30min。
6.根据权利要求1所述的含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，其特征在于，步骤采用物理气相沉积方法在洁净处理后的硬质合金样品的表面沉积高铝含量的三元氮化物涂层作为插入层具体包括：
将经过喷砂处理后的硬质合金样品置入真空镀膜装置，采用磁控溅射或多弧离子镀沉积高温下稳定的Al-Cr-N或Al-Ti-N三元系涂层，真空室温度400℃-600℃。
7.根据权利要求1所述的含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，其特征在于，步骤将沉积有插入层的硬质合金样品置于含金刚石粉体的悬浮液中超声研磨植晶中：
悬浮液中金刚石粉体：乙二醇：乙醇的比例为5g-20g：5ml-10ml：1000ml，超声频率为25KHz-30KHz，超声强度为30W/L-50W/L，超声时间为10min-20min。
8.根据权利要求7所述的含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，其特征在于，步骤将沉积有插入层的硬质合金样品置于含金刚石粉体的悬浮液中超声研磨植晶后还包括：
将经过研磨植晶后的硬质合金样品置于纯乙醇中再次超声，超声频率为25KHz-30KHz，超声强度为30W/L-50W/L，超声时间为10min-20min，以去除硬质合金表面不牢固的金刚石颗粒。
9.根据权利要求1所述的含钴硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，其特征在于，步骤采用热丝化学气相沉积法在植晶处理后的硬质合金样品表面制备金刚石涂层具体包括：
将植晶处理后的硬质合金样品置于热丝化学气相沉积装置中，采用甲烷：氢气的混合工作气体按质量流量百分比为2%：98%，样品表面温度750℃-850℃，生长气压1KPa-5KPa导入反应腔室，生长金刚石涂层厚度2μm-8μm。
10.一种具有金刚石涂层的工模具，其特征在于，包括：
硬质合金基体，所述硬质合金基体的表面粗糙度Ra为0.3μm-0.4μm；
插入层，沉积于所述硬质合金基体的表面，所述插入层为高铝含量的三元氮化物涂层，所述插入层的厚度范围为0.5μm-1.0μm；及
金刚石涂层，通过超声研磨植晶的方式结合热丝化学气相沉积法沉积在所述插入层背向于所述硬质合金基体的表面，所述金刚石涂层的厚度范围为2μm-8μm，所述插入层的热膨胀系数介于所述金刚石涂层与所述硬质合金基体之间。
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