CN112831749A - 一种硬质合金基体及其表面的预处理方法 - Google Patents

一种硬质合金基体及其表面的预处理方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112831749A
CN112831749A CN202110010977.1A CN202110010977A CN112831749A CN 112831749 A CN112831749 A CN 112831749A CN 202110010977 A CN202110010977 A CN 202110010977A CN 112831749 A CN112831749 A CN 112831749A
Authority
CN
China
Prior art keywords
hard alloy
cemented carbide
carbide substrate
substrate
pretreating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202110010977.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112831749B (zh
Inventor
王磊
范舒瑜
苏一凡
许伟
黄淑琪
汪唯
林松盛
代明江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Original Assignee
Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences filed Critical Institute of New Materials of Guangdong Academy of Sciences
Priority to CN202110010977.1A priority Critical patent/CN112831749B/zh
Publication of CN112831749A publication Critical patent/CN112831749A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112831749B publication Critical patent/CN112831749B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/067—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds comprising a particular metallic binder
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C29/00—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides
    • C22C29/02—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides
    • C22C29/06—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds
    • C22C29/08—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on carbides or carbonitrides based on carbides, but not containing other metal compounds based on tungsten carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0605—Carbon
    • C23C14/0611—Diamond
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/50—Substrate holders
    • C23C14/505—Substrate holders for rotation of the substrates

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
  • Chemical Vapour Deposition (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明公开了一种硬质合金基体及其表面的预处理方法，涉及材料表面预处理技术领域。本申请提供的一种硬质合金基体表面的预处理方法，硬质合金基体用于沉积金刚石涂层，硬质合金基体的材质包括WC和Co，WC的溅射产额低于Co的溅射产额；预处理方法包括对硬质合金基体进行电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀处理以优先刻蚀Co。本申请中通过先刻蚀溅射产额较高的Co元素，Co优先被去除并形成凹坑，避免Co元素催化后续金刚石涂层沉积中C元素的石墨化，同时被AEGD刻蚀后的硬质合金基体表面的微观不平整还能增加基体与种晶的纳米金刚石粉的咬合强度，并提升涂层与基体的接触面积，引起铆接效应，提升膜基附着性能。

Description

一种硬质合金基体及其表面的预处理方法
技术领域
本发明涉及材料表面预处理技术领域，具体而言，涉及一种硬质合金基体及其表面的预处理方法。
背景技术
随着我国先进制造业的发展以及对材质轻量化、高比强度的要求日益提高，碳纤维增强复合材料因其比强度高、比刚度高、抗疲劳性能好、耐腐蚀及可设计性强等优点，被越来越广泛的应用到航空航天、5G智能装备、轨道交通等行业的零部件中。但是，碳纤维增强复合材料因其强度高、硬度高，层间剪切强度低和导热系数低、材料摩擦系数稳定，耐磨性优良等特点，非常难以被加工。此外，坚硬的碳纤维对刀刃产生极高的磨蚀磨损，高速钢和硬质合金刀具在加工碳纤维增强复合材料时磨损严重，刀具使用寿命和工件的加工表面质量等指标都难以满足要求。
化学气相沉积(CVD)技术制备金刚石涂层具有极高的硬度、优异的耐磨损性能、较低的摩擦系数、高化学惰性和低黏附效应等优异性能。CVD金刚石涂层刀具因其具有以上众多的优越性能，是加工碳纤维增强复合材料的理想刀具。由于优良的热硬性和韧性，钨钴类硬质合金被广泛用作金刚石涂层刀具的基体材料，但是在HFCVD沉积金刚石涂层时，硬质合金基体中Co元素在高温下会迅速扩散到涂层中，催化C元素石墨化进而降低膜-基结合强度。因此，在沉积金刚石涂层之前，必须对硬质合金基体进行预处理以去除其表面的钴。早在20世纪90年代，M.G.Peters提出的“碱-酸”两步法化学刻蚀法受到国内外学者的广泛应用。“碱-酸”刻蚀是指采用Murakami溶液刻蚀WC相，再用酸溶液刻蚀Co，增强基体表面的粗糙度，降低Co含量。但是，在已有文献和现有技术中，“碱-酸”刻蚀不仅无法有效地保证溶液配比过程中的重复性和再现性，较难实现大批量生产。同时，酸碱刻蚀容易使基体产生脆弱层，降低基体表面的硬度和韧性，最终降低基体-涂层的整体性能。此外，不同牌号的钨钴类硬质合金中Co和WC的含量和分布差异性较大，针对不同牌号的钨钴类硬质合金进行“碱-酸”刻蚀时，需要配制不同成分、配比的溶液，普适性很差。不仅如此，“碱-酸”刻蚀会产生有毒有害的腐蚀性废液，污染环境，增加后续治理成本。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬质合金基体表面的预处理方法，其先刻蚀溅射产额较高的Co元素，Co优先被去除并形成凹坑，避免Co元素催化后续金刚石涂层沉积中C元素的石墨化，同时被AEGD刻蚀后的硬质合金基体表面的微观不平整还能增加基体与种晶的纳米金刚石粉的咬合强度，并提升涂层与基体的接触面积，引起铆接效应，提升膜基附着性能。
本发明的目的在于提供一种硬质合金基体，其表面粗糙度保持在400nm以下，硬质合金基体与金刚石涂层的机械咬合力强。
本发明的目的在于提供一种硬质合金基体沉积金刚石涂层的方法，其可以有效沉积金刚石涂层。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种硬质合金基体表面的预处理方法，所述硬质合金基体用于沉积金刚石涂层，所述硬质合金基体的材质包括WC和Co，所述WC的溅射产额低于所述Co的溅射产额；
所述预处理方法包括对硬质合金基体进行电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀处理以优先刻蚀所述Co。
第二方面，本发明提供一种硬质合金基体，其采用如前述实施方式任一项所述的硬质合金基体表面的预处理方法对硬质合金基体的表面进行预处理。
第三方面，本发明提供一种硬质合金基体沉积金刚石涂层的方法，其包括在如前述实施方式所述的硬质合金基体的表面沉积金刚石涂层。
本发明具有以下有益效果：
本申请提供的硬质合金基体表面的预处理方法通过电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀工艺，能有效地去除硬质合金基体表面油膜、灰尘、氧化物、疏松物等杂质。由于WC、Co的溅射产额不同导致刻蚀速率不同，Co元素溅射产额相比于WC较高，会优先被去除并形成凹坑，而每个WC硬质相颗粒都被刻蚀成多个显微韧窝。同时被电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀后的硬质合金基体表面的微观不平整还能增加基体与种晶的纳米金刚石粉的咬合强度，并提升涂层与基体的接触面积，可使基体表面粗糙度保持在400nm以下，引起铆接效应，提升膜基附着性能，增强了基体与金刚石涂层的机械咬合力。
相比于传统气体辉光放电氩离子轰击与电弧金属离子轰击方法，AEGD等离子体刻蚀方法具有刻蚀时间短、涂层表面平整等优点。其可批量化对硬质合金基体进行脱钴，并能增加刻蚀过程的可控性，提升刻蚀的均匀性，避免了酸碱刻蚀在硬质合金基体产生脆弱层而降低基体表面硬度和韧性。并且本申请提供的硬质合金基体表面的预处理方法可针对不同牌号的钨钴类硬质合金进行前处理，避免了不同钨钴类硬质合金中Co和WC的含量和分布差异性较大需配制不同成分、配比、浓度酸碱溶液，普适性差的缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1中的硬质合金基体表面的金刚石涂层的SEM表面微观形貌图；
图2为本发明实施例1中的硬质合金基体表面的金刚石涂层的SEM表面压痕微观形貌图；
图3为本发明实施例1中的硬质合金基体表面的金刚石涂层的AFM图；
图4为本发明对比例1中的硬质合金表面的金刚石涂层的SEM表面微观形貌图；
图5为本发明对比例1中的硬质合金基体表面的金刚石涂层的SEM表面压痕微观形貌图；
图6为本发明对比例1中的硬质合金基体表面的金刚石涂层的AFM图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本申请提供了一种硬质合金基体表面的预处理方法，本申请中的硬质合金基体是用作沉积金刚石涂层的基体材料，硬质合金基体的材质包括WC和Co，本申请中依据WC和Co的溅射产额差异(WC的溅射产额低于Co的溅射产额)，采用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀方法，优先刻蚀溅射产额较高的Co元素，Co被去除并形成凹坑，其能防止硬质合金基体中的Co元素催化后续沉积的金刚石涂层中的C元素石墨化，而每个WC硬质相颗粒都被刻蚀成多个显微韧窝。
现有技术中是采用“碱-酸”刻蚀来对硬质合金基体表面进行脱Co预处理，碱溶液和酸溶液分别刻蚀WC合金相和金属Co，而刻蚀WC的目的是为了更有效率的刻蚀Co。经发明人研究发现，等离子体溅射中，WC合金相和Co元素的溅射产额不同且金属Co的溅射产额远高于WC合金相，因此通过等离子体溅射可择优刻蚀Co。但传统的辉光溅射，溅射效率很低，不能快速有效率实现硬质合金基体的脱Co，从而难以满足规模化工业化生产需求，因此目前未见将该项技术应用于金刚石涂层的硬质合金基体的脱Co预处理。本发明通过利用电弧增强了辉光放电的等离子体密度和强度，从而大幅度提升了刻蚀效率，从而可实现高效率对硬质合金基体进行脱Co前处理。
具体地，该预处理方法具体包括如下步骤：
S1、对硬质合金基体进行前处理。
将硬质合金基体浸泡于有机溶剂中，超声清洗、干燥。
优选地，有机溶剂包括无水乙醇、丙酮和异丙醇中的至少一种；超声清洗的温度为40～60℃，时间为20～30min；采用气体吹干对所述硬质合金基体进行干燥；气体吹干为氮气吹干。
通过对硬质合金基体进行前处理，可以有效去除硬质合金基体表面的油膜、灰尘等等，有利于进行后续的表面预处理。
S2、抽真空和加热。
将干燥的硬质合金基体置于腔室内，接着对腔室进行抽真空并加热。
抽真空和加热包括以下步骤：将腔室抽真空至4.0×10-5mbar～8.0×10-5mbar，红外加热管温度为450℃～600℃，升温时间设置为20～40min；再将腔室抽真空至4.0×10- 5mbar～8.0×10-5mbar，红外加热管温度为450℃～600℃，保持20～30min；最后第三次将腔室抽真空至4.0×10-5mbar～8.0×10-5mbar。
本申请中，采用三维可旋转行星架装夹硬质合金基体并将硬质合金基体置于腔室内。旋转的行星架能保证刻蚀基体表面的过程的各不同位置的均匀性，增加涂层与基体的接触面积，引起铆接效应，提升涂层与基体的结合强度。
S3、通入氩气。
调节氩气的纯度、流量和气压；优选地，氩气纯度达99.9％以上；氩气流量为100～300sccm；氩气气压为0.4～2.0Pa。
本申请中通过通入氩气可以有效去除腔体内的氧气，保证后续在刻蚀过程的顺利进行。
S4、电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀处理：
对硬质合金基体进行电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀处理以优先刻蚀Co。
具体来说，保持电弧靶电流、阳极棒电流、占空比和行星架转速恒定；基体加双极脉冲负偏压，并调节所述硬质合金基体的负偏压从-50～-300V逐渐增加进行逐层刻蚀。
其中，弧靶电流为20～80A；阳极棒电流为20～80A；正极偏压为10～30V；占空比为30～60％；行星架转速为2～5r/min。
优选地，基体的负偏压呈阶梯式增加；更优选地，调节基体的负偏压依次于-50～-90V、-100～-140V、-150～-190V、-200～-240V和-250～-300V的负偏压下进行刻蚀；本申请中，硬质合金基体于-50～-90V、-100～-140V、-150～-190V、-200～-240V和-250～-300V的负偏压下分别进行刻蚀3～10min；于-250～-300V的负偏压下刻蚀15～30min。
本发明通过超声清洗、干燥、抽真空、加热、电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀后先刻蚀溅射产额较高的Co元素，Co优先被去除并形成凹坑，避免Co元素催化后续金刚石涂层沉积中C元素的石墨化，同时被AEGD刻蚀后的硬质合金基体表面的微观不平整还能增加基体与种晶的纳米金刚石粉的咬合强度，并提升涂层与基体的接触面积，引起铆接效应，提升膜基附着性能。
本申请提供的硬质合金基体表面的预处理方法通过电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀工艺，能有效地去除硬质合金基体表面油膜、灰尘、氧化物、疏松物等杂质。由于三维可旋转行星架能装下大量待处理零部件，并且旋转的行星架能均匀地刻蚀待处理材料基体表面的油污、氧化物、疏松物等杂质以及Co元素，进一步地，由于WC、Co的溅射产额不同导致刻蚀速率不同，Co元素溅射产额相比于WC较高，会优先被去除并形成凹坑，而每个WC硬质相颗粒都被刻蚀成多个显微韧窝。同时被电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀后的硬质合金基体表面的微观不平整还能增加基体与种晶的纳米金刚石粉的咬合强度，并提升涂层与基体的接触面积，使基体表面粗糙度保持在400nm以下，引起铆接效应，提升膜基附着性能，增强了基体与金刚石涂层的机械咬合力。
相比于传统气体辉光放电氩离子轰击与电弧金属离子轰击方法，AEGD等离子体刻蚀方法具有刻蚀时间短、涂层表面平整等优点。其可批量化对硬质合金基体进行脱钴，并能增加刻蚀过程的可控性，提升刻蚀的均匀性，避免了酸碱刻蚀在硬质合金基体产生脆弱层而降低基体表面硬度和韧性。并且本申请提供的硬质合金基体表面的预处理方法可针对不同牌号的钨钴类硬质合金进行前处理，避免了不同钨钴类硬质合金中Co和WC的含量和分布差异性较大需配制不同成分、配比、浓度酸碱溶液，普适性差的缺点。
此外，本发明提供一种硬质合金基体，其采用如上述硬质合金基体表面的预处理方法对硬质合金基体的表面进行预处理，获得的硬质合金基体中Co元素被优先去除并形成凹坑，而每个WC硬质相颗粒都被刻蚀成多个显微韧窝，使得被电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀后的硬质合金基体表面的微观不平整，使体表面粗糙度保持在400nm以下。
进一步地，本发明提供一种硬质合金基体沉积金刚石涂层的方法，其包括在上述硬质合金基体的表面沉积金刚石涂层，硬质合金基体和金刚石涂层的机械咬合力强。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例提供了一种硬质合金基体表面的预处理方法，其包括以下步骤：
所述硬质合金基体为平片式硬质合金YG6(WC-6wt％Co)基体，规格为19mm×19mm×6mm。
(1)超声清洗与干燥：在60℃下，将基体浸泡于异丙醇中超声清洗20min，氮气吹干。
(2)抽真空和加热：将干燥的基体装夹在三维可旋转行星架上送入腔室，对腔室进行抽真空与加热。将腔室抽真空至4.0×10-5mbar红外加热管温度为500℃，加热时间设置为20min；再将腔室抽真空至4.0×10-5mbar，红外加热管温度为500℃，保持20min；最后第三次将腔室抽真空至4.0×10-5mbar。
(3)通入氩气；氩气的纯度为99.9％，氩气流量为150sccm，氩气气压为1Pa。
(4)保持电弧靶电流为20A，阳极棒电流为20A，占空比为45％，行星架转速为3r/min。
(5)调节基体偏压为-50V，用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀3min。
(6)调节基体偏压为-100V，用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀3min。
(7)调节基体偏压为-150V，用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀3min。
(8)调节基体偏压为-200V，用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀3min。
(9)调节基体偏压为-250V，用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀15min。
(10)沉积金刚石涂层：利用专利号为CN 110983293A的种晶和沉积金刚石工艺沉积4μm金刚石涂层。
图1为本实施例中为YG6硬质合金基体表面的金刚石涂层的SEM图谱，放大倍数为5000，标尺为20μm。由图1可知，涂层表面粒径在40μm左右，呈现菜花状形貌，表面均匀紧密，结晶性好，孔隙较少，没有出现脆弱疏松层，涂层与基体的有效结合面积增大。最终提高基体与金刚石涂层的结合强度，如图3所示。
通过上述工艺制备得到微米金刚石涂层的厚度为4μm，粗糙度Rq值为399nm，低于400nm，如图2所示。
实施例2
本实施例提供了一种硬质合金基体表面的预处理方法，其包括以下步骤：
所述硬质合金基体为平片式硬质合金YG10(WC-10wt％Co)基体，规格为19mm×19mm×6mm。
(1)超声清洗与干燥：在60℃下，将基体浸泡于异丙醇中超声清洗20min，氮气吹干。
(2)抽真空和加热：将干燥的基体装夹在三维可旋转行星架上送入腔室，对腔室进行抽真空与加热。将腔室抽真空至4.5×10-5mbar红外加热管温度为550℃，加热时间设置为40min；再将腔室抽真空至4.5×10-5mbar，红外加热管温度为550℃，保持40min；最后第三次将腔室抽真空至4.5×10-5mbar。
(3)通入氩气；氩气的纯度为99.9％，氩气流量为200sccm，氩气气压为1.5Pa。
(4)保持电弧靶电流为60A，阳极棒电流为70A，占空比为45％，行星架转速为3r/min；
(5)调节基体偏压为-90V，用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀5min。
(6)调节基体偏压为-140V，用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀5min。
(7)调节基体偏压为-190V，用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀5min。
(8)调节基体偏压为-240V，用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀5min。
(9)调节基体偏压为-300V，用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀20min。
(10)沉积金刚石涂层：利用专利号为CN 110983293A的种晶和沉积金刚石工艺沉积4μm金刚石涂层。
实施例3
本实施例基本与实施例1相同，区别在于：实施例1中基体偏压呈阶梯式增加，而本对比例中，基体偏压呈线性增加，即采用电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀27min，基体偏压从-50V呈线性增加至-250V。
采用本实施例的方法进行预处理后，涂层表面粒径在38μm左右。
通过上述工艺制备得到微米金刚石涂层的厚度为3.8μm，粗糙度Rq值为386nm。
实施例4
本实施例基本与实施例1相同，区别在于：本对比例中的占空比为80％。
采用本实施例的方法进行预处理后，涂层表面粒径在42μm左右，且出现微细孔隙。
通过上述工艺制备得到微米金刚石涂层的厚度为4μm，粗糙度Rq值为435nm。
对比例1
一种制备金刚石涂层的硬质合金基体表面“碱-酸”刻蚀预处理的方法，其包括以下步骤：
所述硬质合金为平片式硬质合金YG6(WC-6wt％Co)基体，规格为19mm×19mm×6mm。
(1)抛光、超声清洗与干燥：将基体置于金刚石磨盘上配合尼龙抛光布和粒径为W2.5的金刚石研磨抛光膏进行抛光至表面无划痕，在温度为60℃下超声清洗25min，再用氮气吹干表面。
(2)碱溶液刻蚀：将干燥的硬质合金基体置于由1：1：10质量比的K3[Fe(CN)]6、KOH和H2O组成的Murakami碱溶液中浸泡30min，刻蚀基体中的WC颗粒，再将基体浸泡于去离子水中去除基体表面的悬浮离子，氮气吹干。
(3)酸溶液刻蚀：将硬质合金置于盐酸、硝酸和水的混合溶液中浸泡1min，去除基体中的Co，用去离子水浸泡清洗，氮气吹干。
(4)种晶、沉积金刚石涂层：将基体置于含纳米金刚石粉的含量为2-4％的纳米金刚石粉悬浮液中进行超声清洗机辅助振荡20min，采用热丝化学气相沉积法，以纯度达99.9％以上的甲烷和氢气为反应气体，设置氢气流量为4000sccm，真空腔室气压为400Pa，热丝温度为2300～2400℃，基底温度为700℃，热丝与基体表面间距15mm；所述沉积金刚石涂层时间为8小时。
图4为本实施例中为YG6硬质合金基体表面的金刚石涂层的SEM图谱，放大倍数为5000，标尺为20μm。由图4可知，涂层表面粒径在20μm左右，且出现严重的晶粒团聚，孔隙较多，表面疏松分散，出现脆弱疏松层，涂层与基体的有效结合面积减少。最终降低基体与金刚石涂层的结合强度，如图6所示。
通过上述工艺制备得到微米金刚石涂层的厚度为4μm，粗糙度Rq值为463nm，高于400nm，如图5所示。
综上所述，本申请提供的硬质合金基体表面的预处理方法通过电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀工艺，能有效地去除硬质合金基体表面油膜、灰尘、氧化物、疏松物等杂质。由于三维可旋转行星架能装下大量待处理零部件，并且旋转的行星架能均匀地刻蚀待处理材料基体表面的油污、氧化物、疏松物等杂质以及Co元素，进一步地，由于WC、Co的溅射产额不同导致刻蚀速率不同，Co元素溅射产额相比于WC较高，会优先被去除并形成凹坑，而每个WC硬质相颗粒都被刻蚀成多个显微韧窝。同时被电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀后的硬质合金基体表面的微观不平整还能增加基体与种晶的纳米金刚石粉的咬合强度，并提升涂层与基体的接触面积，使基体表面粗糙度保持在400nm以下，引起铆接效应，提升膜基附着性能，增强了基体与金刚石涂层的机械咬合力。
相比于传统气体辉光放电氩离子轰击与电弧金属离子轰击方法，AEGD等离子体刻蚀方法具有刻蚀时间短、涂层表面平整等优点。其可批量化对硬质合金基体进行脱钴，并能增加刻蚀过程的可控性，提升刻蚀的均匀性，避免了酸碱刻蚀在硬质合金基体产生脆弱层而降低基体表面硬度和韧性。并且本申请提供的硬质合金基体表面的预处理方法可针对不同牌号的钨钴类硬质合金进行前处理，避免了不同钨钴类硬质合金中Co和WC的含量和分布差异性较大需配制不同成分、配比、浓度酸碱溶液，普适性差的缺点。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硬质合金基体表面的预处理方法，所述硬质合金基体用于沉积金刚石涂层，其特征在于，
所述硬质合金基体的材质包括WC和Co，所述WC的溅射产额低于所述Co的溅射产额；
所述预处理方法包括对硬质合金基体进行电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀处理以优先刻蚀所述Co。
2.根据权利要求1所述的硬质合金基体表面的预处理方法，其特征在于，对所述硬质合金基体进行电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀处理包括：所述硬质合金基体加双极脉冲负偏压，并调节所述硬质合金基体的负偏压从-50～-300V逐渐增加进行逐层刻蚀；
优选地，所述硬质合金基体的负偏压呈阶梯式增加；
优选地，调节所述硬质合金基体的负偏压依次于-50～-90V、-100～-140V、-150～-190V、-200～-240V和-250～-300V的负偏压下进行刻蚀。
3.根据权利要求2所述的硬质合金基体表面的预处理方法，其特征在于，所述硬质合金基体于-50～-90V、-100～-140V、-150～-190V、-200～-240V和-250～-300V的负偏压下分别进行刻蚀3～10min；于-250～-300V的负偏压下刻蚀15～30min。
4.根据权利要求1所述的硬质合金基体表面的预处理方法，其特征在于，对所述硬质合金基体进行电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀处理包括还包括：保持电弧靶电流、阳极棒电流、正极偏压、占空比和行星架转速恒定；
优选地，所述电弧靶电流为20～80A；
优选地，所述阳极棒电流为20～80A；
优选地，所述正极偏压为10～30V；
优选地，所述占空比为30～60％；
优选地，所述行星架转速为2～5r/min。
5.根据权利要求1所述的硬质合金基体表面的预处理方法，其特征在于，在对所述硬质合金基体进行电弧增强型辉光放电等离子体刻蚀处理之前还包括对所述硬质合金基体进行前处理：
优选地，将所述硬质合金基体浸泡于有机溶剂中，超声清洗、干燥；
优选地，所述有机溶剂包括无水乙醇、丙酮和异丙醇中的至少一种；
优选地，所述超声清洗的温度为40～60℃，时间为20～30min；
优选地，采用气体吹干对所述硬质合金基体进行干燥；
优选地，所述气体吹干为氮气吹干。
6.根据权利要求5所述的硬质合金基体表面的预处理方法，其特征在于，对所述硬质合金基体前处理后，还包括将干燥的所述硬质合金基体置于腔室内，接着对所述腔室进行抽真空并加热；
优选地，所述抽真空和加热包括以下步骤：将腔室抽真空至4.0×10-5mbar～8.0×10- 5mbar，红外加热管温度为450℃～600℃，升温时间设置为20～40min；再将腔室抽真空至4.0×10-5mbar～8.0×10-5mbar，红外加热管温度为450℃～600℃，保持20～30min；最后第三次将腔室抽真空至4.0×10-5mbar～8.0×10-5mbar。
7.根据权利要求6所述的硬质合金基体表面的预处理方法，其特征在于，采用三维可旋转行星架装夹所述硬质合金基体并将所述硬质合金基体置于所述腔室内。
8.根据权利要求6所述的硬质合金基体表面的预处理方法，其特征在于，在对所述腔室抽真空并加热后，还包括向所述腔室内通入氩气；
优选地，所述氩气纯度达99.9％以上；
优选地，所述氩气流量为100～300sccm；
优选地，所述氩气气压为0.4～2.0Pa。
9.一种硬质合金基体，其特征在于，其采用如权利要求1-8任一项所述的硬质合金基体表面的预处理方法对硬质合金基体的表面进行预处理。
10.一种硬质合金基体沉积金刚石涂层的方法，其特征在于，其包括在如权利要求9所述的硬质合金基体的表面沉积金刚石涂层。
CN202110010977.1A 2021-01-06 2021-01-06 一种硬质合金基体及其表面的预处理方法 Active CN112831749B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110010977.1A CN112831749B (zh) 2021-01-06 2021-01-06 一种硬质合金基体及其表面的预处理方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110010977.1A CN112831749B (zh) 2021-01-06 2021-01-06 一种硬质合金基体及其表面的预处理方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112831749A true CN112831749A (zh) 2021-05-25
CN112831749B CN112831749B (zh) 2022-11-11

Family

ID=75926061

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110010977.1A Active CN112831749B (zh) 2021-01-06 2021-01-06 一种硬质合金基体及其表面的预处理方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112831749B (zh)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104746030A (zh) * 2015-04-23 2015-07-01 太原理工大学 提高硬质合金与金刚石涂层结合强度的方法
CN107245692A (zh) * 2017-05-25 2017-10-13 华南理工大学 一种pvd涂层的硬质合金基体表面预处理方法
CN109913799A (zh) * 2019-02-21 2019-06-21 东莞市汇成真空科技有限公司 一种pvd镀膜用弧光电子源增强辉光放电表面活化工艺
CN110527891A (zh) * 2019-09-16 2019-12-03 东华大学 低钴硬质合金表面金刚石涂层及其制备方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104746030A (zh) * 2015-04-23 2015-07-01 太原理工大学 提高硬质合金与金刚石涂层结合强度的方法
CN107245692A (zh) * 2017-05-25 2017-10-13 华南理工大学 一种pvd涂层的硬质合金基体表面预处理方法
CN109913799A (zh) * 2019-02-21 2019-06-21 东莞市汇成真空科技有限公司 一种pvd镀膜用弧光电子源增强辉光放电表面活化工艺
CN110527891A (zh) * 2019-09-16 2019-12-03 东华大学 低钴硬质合金表面金刚石涂层及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
K.SAIJO: ""Improvements in adhesive strength and cutting performance of diamond-coated tools"", 《SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY》 *
M.HAKOVIRTA，ET.AL: ""Adhesion of amorphous diamond-like film on sputtered hardmetal (WC-Co) cutting tools"", 《DIAMOND AND RELATED MATERIALS》 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112831749B (zh) 2022-11-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6258237B1 (en) Electrophoretic diamond coating and compositions for effecting same
CN106521440B (zh) 一种采用磁控溅射法制备高附着力镀铝膜的方法
JP3590579B2 (ja) ダイヤモンド被覆部材およびその製造方法
CN110106483B (zh) 一种类石墨颗粒复合的类金刚石涂层及其制备方法和应用
CN102650053B (zh) 复杂形状cvd金刚石/类金刚石复合涂层刀具制备方法
CN101487121B (zh) 一种金刚石/w-c梯度结构复合涂层及其制备方法
US5855974A (en) Method of producing CVD diamond coated scribing wheels
CN108677144B (zh) 一种制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法
CN105385983B (zh) 一种以纳米碳材料的热扩散为预处理的硬质涂层制备方法
JP2006152424A (ja) 硬質被膜および硬質被膜被覆加工工具
CN108165925B (zh) 一种低负偏压高能Ar+刻蚀清洗改善AlTiSiN涂层性能的方法
CN105937021A (zh) 一种微型铣刀金刚石复合涂层的制备方法
CN105603386A (zh) 一种微型铣刀纳米金刚石涂层的制备方法
CN105543803A (zh) 一种硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层及制备方法
JP2012512801A (ja) ダイヤモンド複合材料を製造する方法
CN111005000A (zh) 一种低应力四面体非晶碳复合膜及其制备方法
CN114574827B (zh) 一种含碳高熵合金薄膜及其制备方法与应用
CN111218663A (zh) 一种类金刚石保护性涂层及其制备方法
CN114703452B (zh) 一种CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜及其制备方法
CN106319518B (zh) 金刚石/金属碳化物复合涂层及其制备方法和应用
CN108315716A (zh) 一种基于加工刀具的复合涂层制备工艺
CN113621926A (zh) 一种低应力类金刚石耐磨涂层及其制备方法
CN109023243B (zh) 一种超强韧、低摩擦碳基刀具涂层及其制备方法
CN110983293A (zh) 一种具有金刚石涂层的硬质合金件、制备方法及其应用
CN112831749B (zh) 一种硬质合金基体及其表面的预处理方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant