CN1170776A - 一种金刚石薄膜涂覆硬质合金刀具的制造方法 - Google Patents

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陈哲
彭先奇
王梅
俞景
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Abstract

一种金刚石薄膜涂覆硬质合金刀具的制造方法,属于金刚石薄膜涂覆硬质合金材料领域,其特点是在WC－Co硬质合金粉料中添加一定浓度和粒度的低品级单晶金刚石,压制烧结形成WC－Co－Dia基底,对基底表面进行研磨使表层孕镶的金刚石充分裸露,然后进行CVD金刚石沉积即制得成品,本发明方法具有工艺简单、成本低,能显著提高金刚石薄膜与硬质合金基底间的结合强度等优点。

Description

一种金刚石薄膜涂覆硬质合金刀具的制造方法
本发明属于低压化学气相沉积(CVD)金刚石薄膜应用开发领域的技术方法，主要适用于金刚石薄膜涂层刀具的制造。
在涂层刀具方面的应用是CVD金刚石薄膜的重要应用之一，以硬质合金为基底沉积金刚石薄膜形成的超硬涂层材料将金刚石本身出色的硬度、耐磨性、导热性及化学稳定性与硬质合金基底良好的抗冲击韧性结合为一体，获得了任何单一材料所难具备的优良综合性能，是一种不可多得的高效刀具材料。但在硬质合金基底上沉积金刚石时，由于(1)硬质合金与金刚石之间在微观结构和热性能上存在较大差异，导致合成薄膜中孕育有较大内应力(2)硬合金主体成份WC已达到饱和化学匹配，沉积过程不会形成碳化物过渡层，薄膜与基底间是一种机械联接(3)基底粘结相Co在低压条件下是石墨催化剂，在沉积过程中诱导金刚石向石墨转化，在薄膜与基底界面形成石墨夹层，上述原因致使在硬质合金基底上直接沉积金刚石时，生成薄膜与基底间的结合力弱，制约了金刚石薄膜涂覆硬质合金刀具的实际应用。因而，如何提高结合强度是金刚石薄膜涂层刀具开发应用中急待解决的关键问题。
在现有技术中普遍采用如下两种途径来提高金刚石薄膜与硬质合金基底间的结合强度：
1、利用原位等离子刻蚀或化学腐蚀的方法对硬质合金基底表面预先进行去Co处理，以消除Co的不良影响。这类方法一方面由于去Co使基底本身性能受到削弱，另一方面提高结合强度的效果不显著。(R.Haubner et al J.Phys.1989(5)第169页M.Murakawa et al Surf.Coat.Technol.1988(36)第303页)
2、利用磁控溅射或离子蒸镀的方法在硬质基底表面预先建立化学过渡层，在实现基底表面改性，提高基底与金刚石间相容性的同时，抑制Co的扩散。这类方法可显著提高结合强度，但由于引入磁控溅射手段或离子蒸镀技术，使其实现所用设备及工艺过程复杂，工艺成本高，因而，难以推广应用。(M.Nesladeket al Diamond Relat.Mater.1993(3)第98页T.Isozaki et al DiamondRelat Mater.1993(2)第1156页)
本发明的目的在于提供一种工艺简单，成本低，能显著提高金刚石薄膜与硬质合金基底间结合强度的金刚石薄膜涂层刀具的制造方法。
实现化学键结合是提高结合强度的有效途径，低压CVD沉积金刚石技术既能以单晶金刚石为衬底获得以化学键牢固结合的金刚石同质外延生长，又能在异质基底上成核结晶生长金刚石。如在硬质合金基底表层预植入单晶金刚石后进行沉积，金刚石将既在预植入单晶金刚石表面同质外延生长，又在硬质合金基底上成核生长。由于同质外延生长的发生，使薄膜与基底间实现了部分化学键结合，因而能显著提高结合强度，同时，由于基底表面预植入单晶金刚石的存在，不仅使粘结相Co所占基底比表面积减小，而且还堵塞了基体内Co扩散至基底表面的主要通道，因而有效地抑制了Co的影响。有利于提高成膜质量。
基于上述构思，本发明采用如下技术方案：
在WC-Co硬质合金粉料中添加一定浓度和粒度的低品级单晶金刚石，压制烧结形成WC-Co-Dia基底。添加金刚石孕镶于硬质合金基体之中。对基底表面进行研磨使表层孕镶金刚石充分裸露，然后进行CVD金刚石沉积。金刚石既在裸露金刚石表面同质外延生长，又在裸露金铡石以外的硬质合金基底表面结晶生长，形成外延生长与结晶生长共沉积的金刚石膜。这些外延生长金刚石在薄膜与基底间起到“桩基锚固”作用，将薄膜整体牢固镶嵌于硬质合金基底之上作用示意图见图1，图1中1为基底，2为基底孕镶金刚石上外延生长金刚石，3为结晶生长金刚石。
本发明主要包括如下工序：
1、基底配料：基底粉料采用WC-Co硬质合金粉料，添加金刚石品级选用II型料，添加粒度范围为600～150目。根据选定粒度确定相应的金刚石添加浓度，使充分研磨后，基底表面裸露金刚石的面积之和与基底总表面积之比为：20％～30％；
2、成型烧结：将上述配料充分混匀，以常规粉末冶金制品成型烧结工艺冷压成型，采用H2保护气氛，在900～1100℃下烧结；
3、研磨处理：用SiC树脂砂轮充分研磨烧结基底表面，使表层孕镶金刚石充分裸露；
4、清洗处理：对研磨基底进行丙酮液超声波清洗，并烘干；
5、采用现有CVD沉积金刚石薄膜技术中的任何一种方法在基底表面进行金刚石薄膜沉积。
只要沉积工艺适当，即能获得与基底间良好粘结的金刚石薄膜生长。
与现有技术相比、本发明具有如下优点：
1、工艺简单易行，可操作性强。
2、工艺成本低。
3、工艺实施不受基底尺寸及表面几何形状制约，适用性广。
4、在显著提高结合强度的同时，有效抑制了Co的影响，有利于实现高质量金刚石薄膜生长。
实施例：
根据本发明所述方法，确定了三种不同金刚石添加粒度与浓度的匹配方案，利用火焰法沉积金刚石薄膜工艺进行金刚石薄膜沉积。与未添加金刚石的硬质合金相比，结合强度均有显著提高(见表1)。其中，结合强度的测量采用洛氏硬度计压痕测量法，压头为洛氏金刚石球形压头，直径为200μm。以薄膜沿压痕处发生剥离的临界载荷作为结合强度衡量指标。(C.R.Shi et al Diamond Relat.Mater.1995(4)第1079页)表1  不同金刚石添加量及样品结合强度
 批号          金刚石添加量   结合强度(Kg)
添加粒度(目) 添加浓度(重量％)
  1     600     75％     23.0
  2     230     85％     31.5
  3     180     100％     36.0
  4       -       -     3.8

Claims (1)

1.一种金刚石薄膜涂覆硬质合金刀具的制造方法，其特征在于：在WC-Co硬质合金粉料中添加一定浓度和粒度的低品级单晶金刚石，压制烧结形成WC-Co-Dia基底，对基底表面进行研磨使表层孕镶的金刚石充分裸露，然后进行CVD金刚石沉积；其具体工序如下：
(1)、基底配料：基底粉料采用WC-Co硬质合金粉料，添加金刚石品级选用II型料，添加粒度范围为600～150目。根据选定粒度确定相应的金刚石添加浓度，使充分研磨后，基底表面裸露金刚石的面积之和与基底总表面积之比为：20％～30％；
(2)、成型烧结：将上述配料充分混匀，以常规粉末冶金制品成型烧结工艺冷压成型，采用H2气保护气氛，在900～1100℃下烧结；
(3)、研磨处理：用SiC树脂砂轮充分研磨烧结基底表面，使表层孕镶金刚石充分裸露；
(4)、清洗处理：对研磨基底进行丙酮液超声波清洗，并烘干；
(5)、采用现有CVD沉积金刚石薄膜技术中的任何一种方法在基底表面进行金刚石薄膜沉积，即可制得金刚石薄膜涂覆硬质合金刀具。
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