金刚石涂层用复合基体及其制备方法与流程

本发明涉及金刚石涂层领域，尤其涉及一种金刚石涂层用复合基体及其制备方法。

背景技术：

cvd法制备的金刚石薄膜是一种超硬的多功能材料，具有高硬度、高导热率、低摩擦系数、低热膨胀系数和高稳定性的优点。采用cvd法在硬质合金基体上制备的金刚石涂层的厚度一般在20μm以下，采用的硬质合金基体通常具有韧性好、强度高等特点。目前cvd金刚石涂层硬质合金刀具产品存在的问题之一是金刚石薄膜和硬质合金刀片粘附性差。在加工过程中金刚石薄膜涂层的过早脱落，极大的降低涂层刀片的切削性能和使用寿命，如何改善金刚石薄膜和硬质合金基体的粘结性，如何增强金刚石在硬质合金表面的成核率是当前需要解决的问题。

为此，富耐克在申请号为cn2016112474099的发明专利中提供一种沉积cvd金刚石涂层基体除油脱钴方法，其步骤包括：首先采用无水丙酮溶液浸泡硬质合金基体，得到预处理硬质合金基体；然后采用碱性清洗剂清洗所述预处理硬质合金基体，得到碱洗硬质合金基体；最后依次对所述碱洗硬质合金基体进行喷砂、氧等离子体清洗处理得到硬质合金除油基体，然后采用含有高氯酸的混合酸对所述硬质合金除油基体进行酸洗脱钴处理，从而得到洁净的沉积cvd金刚石涂层基体制得洁净的沉积cvd金刚石涂层基体。该发明专利主要利用化学侵蚀液清洗法对硬质合金基体进行处理，成本较低，易于工业化应用，然而化学侵蚀液清洗法通常采用酸碱液进行清洗，产生大量的酸碱废液对环境造成污染。

此外，现有技术中有采用金刚石微粉悬浮液超声波清洗的方法增强金刚石在硬质合金表面的成核率，该方法虽然会在金刚石基体上形成的用作晶种的金刚石微粉，但晶种数量不可控，而且会产生大量的金刚石微粉悬浮液废液，浪费严重。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明确有必要提供一种金刚石涂层用复合基体及其制备方法，以解决上述问题。

为此，本发明提供的技术方案为：一种金刚石涂层用复合基体，包括：硬质合金基体、形成在所述硬质合金基体上的tialcn层和沉积在所述tialcn层表面的类金刚石层。其中，所述硬质合金基体可以为普通的硬质合金刀具。

基于上述，所述tialcn层的厚度为200～400nm。所述tialcn层主要起到co元素屏蔽层，主要是屏蔽硬质合金基体中的co元素并与co元素形成化合物阻止co元素向表面扩散，以免最终影响金刚石薄膜与硬质合金基体的结合强度。所以，所述tialcn层的厚度不能太薄，也没有必要太厚，而且太厚会增加成本。

基于上述，所述类金刚石层的厚度为5～30nm。所述类金刚石层起到金刚石晶种层的作用，主要是为后续cvd法沉积金刚石薄膜提供晶种。

基于上述金刚石涂层用复合基体，还包括形成在所述硬质合金基体和所述tialcn层之间的cral层。

基于上述，所述cral层的厚度为50～250nm。所述cral层主要作为所述硬质合金基体与所述tialcn层的过渡层，其厚度太薄不能较好地起到连接所述硬质合金基体与所述tialcn层的作用，也没有必要太厚，而且太厚会增加成本。

本发明还提供一种上述金刚石涂层用复合基体的制备方法，包括先清洗硬质合金基体，再在所述硬质合金基体上进行镀膜处理，其中，所述镀膜处理包括依次在所述硬质合金基体上形成tialcn层和类金刚石层。

基于上述，所述镀膜处理的步骤还包括：在所述硬质合金基体上形成所述tialcn层之前，在所述硬质合金基体的表面镀cral层。

基于上述，所述镀膜处理的方法为电弧离子镀膜法或磁控溅射镀膜法。

基于上述，所述镀膜处理的步骤包括：

将清洗后的所述硬质合金基体置于镀膜机，所述镀膜机的镀膜腔体内的压强为1×10^-3～5×10^-3pa，负偏压为80～100v，转台速度为0.3～0.6rpm，且温度控制在700℃～800℃；

以120～180mln的流量向所述镀膜腔体内通入氩气，选择cral复合靶为cral涂层的溅射靶材，该cral复合靶在功率为3000～4000w的条件下，在所述硬质合金基体的表面溅射沉积10～30min，形成厚度为50～250nm的cral层，其中，所述cral复合靶中的cr和al的面积比为5:3；

将氮气以80～120mln的流量和氩气以40～60mln的流量同时通入所述镀膜腔体内，选择石墨靶、tial复合靶和钛靶作为tialcn涂层的溅射靶材，并在所述石墨靶材的功率为800～1200w、所述tial复合靶的功率为2500～3500w和所述钛靶的功率为250～350w的条件下，在所述cral层的表面沉积10～30min，形成厚度为200～400nm的tialcn层，其中，所述tial复合靶中的al和ti的面积比为3:5；

将氩气以180～250mln的流量通入所述镀膜腔体内，选择所述石墨靶为类金刚石层的溅射靶材，并在所述石墨靶材的功率为250～350w的条件下，在所述tialcn层的表面沉积10～30min，形成厚度为5～30nm的类金刚石层。

基于上述，所述清洗所述硬质合金基体的步骤包括：所述硬质合金基体先依次在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中分别进行超声处理，然后再在烘箱中烘干。

与现有技术相比，本发明提供的金刚石涂层用复合基体包括tialcn层和类金刚石层，通过所述tialcn层屏蔽所述硬质合金基体中的co元素并与co元素形成化合物阻止co元素向类金刚石层的表面扩散，并且所述类金刚石层能够为金刚石薄膜生长提供种晶，从而增强了采用cvd法制备出的金刚石薄膜与硬质合金基体的结合强度，所以，使用本发明提供的上述复合基体有利于提高后续制备出的金刚石涂层刀具的切削性能和使用寿命。进一步，在所述硬质合金基体与所述tialcn层之间设置作为过渡层的cral层，用于增强所述硬质合金基体与所述tialcn层之间的结合力，以进一步有利于增强所述金刚石薄膜与硬质合金基体的结合强度。

本发明通过先清洗硬质合金基体再在进行镀膜处理的方法制备所述金刚石涂层用复合基体，该制备方法避免使用大量的酸碱液就能减少或避免co元素对cvd法制备出的金刚石薄膜与硬质合金基体的结合强度的影响，方法简单，而且环保。进一步，本发明采用电弧离子镀膜法或磁控溅射镀膜法在硬质合金基体上镀膜，尤其是采用高功率脉冲磁控溅射镀膜法形成所述cral层、tialcn层和类金刚石层，节能环保。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的金刚石涂层用复合基体的结构示意图。

图2是本发明实施例2提供的金刚石涂层用复合基体的结构示意图。

其中，各图中：硬质合金基体11、tialcn层13、类金刚石层14、cral层22。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

请参阅图1，本发明实施例1提供一种金刚石涂层用复合基体，其主要由三层结构组成，具体包括硬质合金基体11、形成在所述硬质合金基体11上表面的tialcn层13和沉积在所述tialcn层上表面的类金刚石层14，其中，所述tialcn层13的厚度为400nm，所述类金刚石层14的厚度为25nm。其中，所述tialcn层13主要是屏蔽硬质合金基体11中的co元素并与co元素形成化合物阻止co元素向硬质合金基体11的上表面扩散，以免最终影响后续cvd法沉积制备出的金刚石薄膜与硬质合金基体11的结合强度；所述类金刚石层14主要是为后续cvd法沉积金刚石薄膜提供晶种。

本实施例还提供一种上述金刚石涂层用复合基体的制备方法，包括步骤：

清洗硬质合金基体11将所述硬质合金基体11在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中分别超声15min，然后将所述硬质合金基体11置于烘箱中烘干，得到清洗后的硬质合金基体；

镀膜处理将所述清洗后的硬质合金基体11置于高功率脉冲磁控溅射镀膜机，所述镀膜机的镀膜腔体内的压强为2×10^-3pa，负偏压为80v，转台速度为0.3rpm，且温度控制在700℃；

将氩气以120mln的流量和氮气以60mln的流量同时通入所述镀膜腔体内，选择石墨靶、tial复合靶和钛靶作为tialcn涂层的溅射靶材，并在所述石墨靶材的功率为800w、所述tial复合靶的功率为2500w和所述钛靶的功率为250w的条件下，在所述硬质合金基体11的上表面沉积30min，形成厚度为400nm的tialcn层13，其中，所述tial复合靶中的al和ti的面积比为3:5；本步骤中的tialcn涂层的溅射靶材的纯度均为99.999％，氮气和氩气的的纯度均为99.999％；

将氩气以250mln的流量通入所述镀膜腔体内，选择所述石墨靶为类金刚石层的溅射靶材，并在所述石墨靶材的功率为250w的条件下，在所述tialcn层13的上表面沉积25min，形成厚度为25nm的类金刚石层14，即制得所述金刚石涂层用复合基体。

其中，在上述镀膜处理过程中，使用的各种靶材的纯度均为99.999％，氮气和氩气的纯度均为99.999％。

本实施例提供的上述制备方法采用pvd方法在硬质合金基体表面形成tialcn层和类金刚石层，分别作为硬质合金基体的屏蔽层和金刚石薄膜的种晶层，达到节能环保的目的。

实施例2

请参阅图2，本实施例提供一种金刚石涂层用复合基体，该复合基体为四层结构，其与实施例1提供的复合基体的主要区别在于：本实施例提供的复合基体还包括设置于所述硬质合金基体11与所述tialcn层13之间的cral层22，该cral层22的厚度为200nm，该cral层22主要用作过渡层，以增加所述硬质合金基体11与所述tialcn层13的结合力；本实施例中，所述tialcn层13的厚度为300nm，所述类金刚石层14的厚度为20nm。

本实施例还提供一种上述复合基体的制备方法，包括：

清洗硬质合金基体11将所述硬质合金基体11在丙酮、无水乙醇和蒸馏水中分别超声15min，然后将所述硬质合金基体11置于烘箱中烘干，得到清洗后的硬质合金基体；

镀膜处理将所述清洗后的硬质合金基体11置于高功率脉冲磁控溅射镀膜机，所述镀膜机的镀膜腔体内的压强为2×10^-3pa，负偏压为90v，转台速度为0.5rpm，且温度控制在750℃；

以100mln的流量向所述镀膜腔体内通入氩气，选择cral复合靶为过渡层cral涂层的溅射靶材，该cral复合靶在功率为3500w的条件下，在所述硬质合金基体的表面溅射沉积20min，形成厚度为200nm的cral层22，其中，所述cral复合靶中的cr和al的面积比为5:3；

将氮气以100mln的流量和氩气以50mln的流量同时通入所述镀膜腔体内，选择石墨靶、tial复合靶和钛靶作为tialcn涂层的溅射靶材，并在所述石墨靶材的功率为1000w、所述tial复合靶的功率为3000w和所述钛靶的功率为300w的条件下，在所述cral层22的上表面沉积20min，形成厚度为300nm的tialcn层13，其中，所述tial复合靶中的al和ti的面积比为3:5；

将氩气以200mln的流量通入所述镀膜腔体内，选择所述石墨靶为类金刚石层的溅射靶材，并在所述石墨靶材的功率为300w的条件下，在所述tialcn层13的上表面沉积20min，形成厚度为20nm的类金刚石层14，即制得所述金刚石涂层用复合基体。

其中，在上述镀膜处理过程中，使用的各种靶材的纯度均为99.999％，氮气和氩气的纯度均为99.999％。

实施例3

本实施例提供一种金刚石涂层用复合基体及其制备方法，其与实施例2提供的复合基体的结构及其制备方法基本相同，不同之处主要在于各镀层的厚度不同；具体地，本实施例中，所述cral层的厚度为250nm，沉积时间15min；所述tialcn层的厚度为200nm，沉积时间10min；所述类金刚石层的厚度为10nm，沉积时间10min。

实施例4

本实施例提供一种金刚石涂层用复合基体及其制备方法，其与实施例2提供的复合基体的结构及其制备方法基本相同，不同之处主要在于各镀层的厚度不同；具体地，本实施例中，所述cral层的厚度为100nm，沉积时间10min；所述类金刚石层的厚度为15nm，沉积时间13min。

上述各实施例中的硬质合金基体为普通的各种规格硬质合金刀具，如，硬质合金二刃铣刀或硬质合金二刃球刀。下面进一步利用本发明实施例提供的金刚石涂层用复合基体结合cvd法制备金刚石涂层刀具的加工性能证明本发明提供的金刚石涂层用复合基体的性能。

试验对象

样品组：在压力为0.5kpa，温度为700℃的条件下，采用热丝化学气相沉积法，以h2、ch4为反应气体源在本发明实施例2提供的金刚石涂层用复合基体中的类金刚石层的表面反应20h，形成厚度约为8μm的金刚石涂层，即制得样品组涂层刀具。其中，ch4气体体积在总反应气体源体积的3％，实施例2中使用的硬质合金基体的规格见下表1。

对照组：表1中所示的硬质合金基体经过酸碱处理脱co后，在压力为0.5kpa，温度为700℃的条件下，采用热丝化学气相沉积法，以h2、ch4为反应气体源，在脱co后的硬质合金基体的表面形成厚度约为8μm的金刚石涂层，即制得对照组涂层刀具，其中，ch4气体体积在总反应气体源体积的3％。所述酸碱处理的具体过程为：(1)在murakami试剂中超声振动20min，溶液质量配比为m(koh)︰m(k3[fe(cn)6])︰m(h2o)＝1︰1︰10；(2)h2so4+h2o2超声振动20s，溶液体积配比为v(h2so4)︰v(h2o2)＝3︰7，然后，在丙酮溶液中超声清洗5min并晾干，以达到除去表面污垢并达到脱co的作用。

切削性能测试方法：分别使用样品组涂层刀具和对照组涂层刀具对加工工件进行加工处理测试各组涂层刀具的切削性能，测试结果如表1所示。

粘结强度测试方法采用划痕仪对样品组涂层刀具和对照组涂层刀具分别做压痕测试，测试结果如表1所示。

表1涂层刀具加工性能测试结果

从表1中可以看出：除了加工工件为陶瓷外，对照组涂层刀具能够将加工工件加工成表面粗糙度为r0.8的数量与样品组涂层刀具能够将加工工件加工成表面粗糙度为r0.6的数量基本相同，加工工件为陶瓷时，对照组涂层刀具的加工数量明显低于样品组涂层刀具的，所以，在加工工件和工件的表面粗糙度分别相同的条件下，样品组涂层刀具的加工工件数量会明显高于对照组涂层刀具的加工工件数量，由此说明样品组涂层刀具的切削性能和使用寿命明显高于对照组涂层刀具的切削性能和使用寿命。另外，表1中的样品组涂层刀具的结合力与对照组涂层刀具中的金刚石涂层与所述复合基体的结合力相当，进一步证明了，使用本发明实施例提供的金刚石涂层用复合基体制备的金刚石涂层刀具中的金刚石涂层与所述复合基体有较强的结合强度。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。