CN1233870C

CN1233870C - 表面层贫钴的梯度硬质合金上进行金刚石涂层的方法

Info

Publication number: CN1233870C
Application number: CN 03117958
Authority: CN
Inventors: 芶立; 冉均国; 张继芳; 熊继; 王兵
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2003-05-29
Publication date: 2005-12-28
Anticipated expiration: 2023-05-29
Also published as: CN1455017A

Abstract

表面层贫钴的梯度硬质合金上进行金刚石涂层的方法，其特点是采用表面层贫钴的梯度硬质合金基体，这种硬质合金在0.1—1mm表面层中钴含量比内部低一倍以上，一般小于3.5wt%，表面层从表面到内部呈现钴由少增多的梯度结构，表面层以内是富钴层；然后是硬质合金的刚性芯部。将硬质合金工具用金刚石磨盘抛光，用10mg/ml金刚石粉的乙醇或丙酮悬浮液清洗，再用乙醇或丙酮超声清洗、吹干后放入微波等离子体反应腔的基台上，抽真空，开启微波发生器。反应气体为含碳气体、氢气、氩气等，含碳气体浓度0.1—5vol%，基体温度600—1000℃，工作气体压力2.0—10KPa，微波输出功率600—1200W。达到期望的涂层厚度后，关断气源和微波发生器。金刚石涂层后硬质合金表面钴含量为0.1—2.5wt%。

Description

表面层贫钴的梯度硬质合金上进行金刚石涂层的方法

一、技术领域

本发明涉及一种在表面层贫钴的梯度硬质合金上进行金刚石涂层的方法，属于金刚石涂层工具制造领域。

二、背景技术

由于金刚石具有高硬度、高导热率、低摩擦系数、化学稳定性好等特点，作为工具材料早已广泛应用于工业领域的许多方面。但是单晶金刚石稀少昂贵，聚晶金刚石制造成本高、难以用于复杂形状刀具的制造，因此，促使研究者寻找新的金刚石工具制造方法。80年代以来，发展了采用化学气相沉积法(CVD)制作金刚石涂层工具，这种新型刀具加工层不含金属或非金属结合剂，制造成本低，可用于复杂形状刀具，因而受到越来越多的重视。但长期以来困扰研究者最大的问题是金刚石涂层与硬质合金基体附着差。其主要原因来自于硬质合金中作为粘结相的钴的影响。钴的负面作用表现为：推迟并阻碍金刚石的成核和生长；催化非金刚石碳例石墨、非晶态碳的形成；在长时间金刚石膜生长过程中溶解金刚石涂层等。为了改进金刚石涂层与硬质合金基体附着性，这些年的研究论文、专利非常多，匡同春在《硬质合金》2001年18卷第1期“CVD金刚石涂层刀片的基体预处理方法进展”中进行了总结，研究思路分为两类，一是采用基体表面预处理方法，主要目的是降低基体表面钴含量，改善基体表面金刚石成核，使用方法包括化学脱钴法、等离子体刻蚀法、等离子体共渗法、激光烧蚀法等。然而，在金刚石涂层生长过程中的长时间高温作用下，钴向表面扩散仍会在一定程度上影响金刚石涂层与基体附着。二是施加过渡层的方法，主要目的是改善金刚石涂层与基体材料界面的应力，同时阻挡钴在金刚石涂层生长过程中向表面扩散，目前沉积的过渡层有TiC、W/WC、钨-金刚石成分梯度层、类金刚石膜、巴基管或C₆₀、C₇₀涂层等。从专利方面来看，有关金刚石涂层工具影响最大的是Michael G.Peters等1996年10月22日公开的美国专利U.S.5567526“Cemented Tungsten Carbide Substrates havingadherent Diamond Films Coating Thereon”，它公开的是采用化学试剂，例Murakami试剂、硝酸、硫酸、过氧化氢等对未抛光的硬质合金基体进行一系列处理后再制备金刚石涂层的方法。其它专利也是关于各种表面处理或施加过渡层方法。

总之，表面贫钴是硬质合金基体上获得高结合强度金刚石涂层的必要条件。过去采用的各种表面去钴法在实际应用中都存在着弱点，如酸蚀法、电解腐蚀、氢氧等离子刻蚀等去钴法虽可较干净地除去表层的钴，但同时会使表层因失钴而结构疏松，再制备的CVD金刚石涂层常常因起源于疏松表层中的缺陷而碎裂或剥落；激光烧蚀去钴法虽可以同时达到表面去钴及粗化的目的，且表层结构还会因重熔变得密实，但这种处理不适于复杂形状基体且费用昂贵，不具备生产实用价值；表面涂覆过渡层的方法虽能在基体表面得到不含钴的新表面层，但工艺复杂，成本高，且可靠性差。

三、发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种在表面层贫钴的梯度硬质合金上进行金刚石涂层的方法，其特点是不需要用基体表面预处理或施加过渡层方法去除钴或阻挡钴的扩散，而且在金刚石涂层生长过程中基体表面的钴向硬质合金内部迁移而不是表面富集。

本发明的目的由以下技术措施实现：

1、采用表面层贫钴的梯度硬质合金基体，这种硬质合金具有三层结构：0.1-1mm表面层中钴含量比内部低一倍以上，一般小于3.5wt％，并且从表面到内部呈现钴由少增多的梯度结构，称为贫钴层；邻近表面层以内是富钴层；然后是硬质合金的刚性芯部。

2、将表面层贫钴的梯度硬质合金按一般硬质合金工具加工办法加工成规定形状，然后采用金刚石磨盘进行抛光。

3、抛光后的硬质合金工具，按常规方法清洗干净后，用10mg/ml金刚石粉的乙醇或丙酮悬浮液超声清洗，再用乙醇或丙酮超声清洗，吹干后待用。

4、将清洗好的样品放入CVD反应腔的基台上，反应腔抽真空，开启微波发生器。反应气体为含碳气体(例CH₄、C₂H₂)、氢气、氩气等用于金刚石膜制备的常用气体，含碳气体浓度0.1-5vol％，基体温度600-1000℃，工作气体压力2-10KPa，微波输出功率600-1200W(根据微波源功率而定)。生长过程进行到期望达到的涂层厚度后，关断气源和微波发生器。

金刚石涂层厚度可为1-50μm。在金刚石涂层生长过程中，基体表面的钴向硬质合金内部迁移而不是表面富集，金刚石涂层生长后硬质合金表面钴含量比生长前更低，为0.1-2.5wt％，有利于提高金刚石涂层与硬质合金基体结合强度。

金刚石涂层方法有微波等离子体CVD法、热丝CVD法或直流等离子体喷射法。

硬质合金为碳化钨基如WC-Co、WC-Ti-Co和/或WC-Ta-Co表面层贫钴的梯度硬质合金。

本发明具有以下优点：

1、采用的特殊结构硬质合金不仅保持甚至超过同类牌号硬质合金性能，例YG6(WC-6％Co)表面层贫钴的梯度合金，耐磨性比常规YG 6合金好，强度可达到常规YG 6中的最佳强度值。

2、采用的特殊结构硬质合金表面层中钴呈现梯度分布，表层钴含量低一般小于3.5wt％，但能保持金刚石形核和生长所要求的基体材料表面结构的致密，而且在金刚石涂层生长过程中，基体表面的钴向硬质合金内部迁移而不是表面富集。金刚石涂层生长后硬质合金表面钴含量比生长前更低，同时到达表层去除钴和阻挡钴向表层富集的目的，从而提高了金刚石涂层与硬质合金基体结合强度。

3、用于金刚石涂层的这种特殊结构硬质合金可以按常规硬质合金工具加工办法加工，不受基体表面形状的限制，又不需要附加处理工艺，例如基体表面预处理或施加过渡层方法去除钴或阻挡钴的扩散，因此本发明实现金刚石涂层更简便、经济，易于工业化。

4、采用微波等离子体CVD法、热丝CVD法、直流等离子体喷射法等金刚石膜常用制备方法制备金刚石涂层，不用对设备、工艺进行大改进。

四、附图说明

图1为梯度硬质合金剖面钴含量分布图(电子探针分析)。

图中显示了硬质合金从表面到内层0.5mm厚度内钴含量呈现明显的梯度分布，表层钴(Co)含量明显低于内层，而钨(W)含量是均匀分布的。

五、具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体描述，有必要在此指出的是本实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。

实施例1：

一表面层贫钴的WC-6％Co梯度硬质合金A118刀片，经金刚石磨盘抛光后，电子探针测试表面钴含量为3.19wt％，贫钴层厚度0.5mm，按常规方法清洗干净后，用10mg/ml金刚石粉的乙醇或丙酮悬浮液超声清洗30分钟，再用乙醇或丙酮超声清洗5分钟，吹干，置于天线钟罩式微波等离子体CVD反应腔中，反应腔抽真空，开启微波发生器。在CH₄/H₂为1.0vol％，工作气体压力5.3KPa，微波输出功率1000W条件下沉积10小时，涂层厚度为5微米。沉积后涂层与硬质合金基体附着好。利用金刚石涂层抗冲击性差，剥离涂层露出基体表面，测试表面钴含量为1.0％，比沉积前低。相同条件下化学脱钴硬质合金沉积10小时后取出，部分涂层自然剥落，沉积前表面钴含量0.2wt％，沉积后升高为1.85wt％。

实施例2：

在实例1的处理、沉积条件下延长沉积时间至20小时，涂层厚度为10微米，沉积后涂层与硬质合金基体附着好，表面钴含量1.14％。

实施例3：

在实例1的处理、沉积条件下采用1.0％CH₄/97％H₂/2.0％Ar气源，沉积10小时，涂层厚度为6微米，沉积后涂层与硬质合金基体附着好，表面钴含量1.21wt％。

实施例4：

在实例1的处理、沉积条件下降低微波输出功率至800W，沉积6小时，涂层厚度为3微米，沉积后涂层与硬质合金基体附着好，表面钴含量1.35wt％。

实施例5：

一表面层贫钴的WC-14％Ti-6％Co梯度硬质合金A118刀片，经金刚石磨盘抛光后，表面层钴含量3.42wt％，贫钴层厚度0.5mm，按实例1的条件处理、沉积，沉积后涂层与硬质合金基体附着好，表面层钴含量1.89wt％。

实施例6：

按照实例1的样品及预处理条件，将样品置于电子辅助热丝CVD法反应腔中，在灯丝温度2573K，反应压力7KPa，直流偏流密度5000A/m²，CH₄/H₂为3vol％，灯丝与样品距离0.08m条件下，沉积5小时，涂层厚度为15微米，电子探针测试基体表面钴含量1.43％。

Claims

1、表面层贫钴的梯度硬质合金上进行金刚石涂层的方法，其特征在于：

(1)采用表面层贫钴的梯度硬质合金基体，这种硬质合金在0.1-1mm表面层钴含量比内部低一倍以上，一般小于3.5wt％，表面层从表面到内部呈现钴由少增多的梯度结构，表面层以内是富钴层，然后是硬质合金的刚性芯部；

(2)表面层贫钴的梯度硬质合金按常规硬质合金工具加工法加工；

(3)用金刚石磨盘进行抛光，抛光后的梯度硬质合金用10mg/ml金刚石粉乙醇或丙酮悬浮液超声清洗，再用乙醇或丙酮超声清洗，吹干后待用；

(4)将清洗好的样品放入CVD反应腔的基台上，反应腔抽真空，开启微波发生器，反应气体为含碳气体CH₄、C₂H₂和氢气或氩气用于金刚石膜制备的常用气体，含碳气体浓度0.1-5vol％，基体温度600-1000℃，工作气体压力2-10KPa，微波输出功率600-1200W，生长过程进行到期望达到的涂层厚度后，关断气源和微波发生器；

涂层厚度可为1-50μm，金刚石涂层生长后硬质合金表面钴含量比生长前更低为0.1-2.5wt％。

2、按照权利要求1所述表面层贫钴的梯度硬质合金上进行金刚石涂层的方法，其特征在于金刚石涂层的制备方法为微波等离子体CVD法、热丝CVD法或直流等离子体喷射法。

3、按照权利要求1所述表面层贫钴的梯度硬质合金上进行金刚石涂层的方法，其特征在于，硬质合金为碳化钨基，WC-Co、WC-Ti-Co和/或WC-Ta-Co表面层贫钴的梯度硬质合金。