硬质合金表面制备金刚石涂层的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料涂层技术领域，具体是一种硬质合金表面制备金刚石涂层的方法。
【背景技术】
[0002]采用化学气相沉积(CVD)技术制备的金刚石涂层硬质合金(WC-Co)工具，兼备了金刚石的高硬度与硬质合金高韧性等特点，在有色金属及其合金、各种颗粒或纤维增强复合材料、高技术陶瓷等材料加工领域有着广阔的应用前景。然而在CVD过程中，WC-Co中的粘结相Co容易引起碳的溶解，抑制金刚石相的形核，促进石墨相的生成，使得金刚石涂层与基体间的结合强度很低，在一定程度上限制了金刚石涂层硬质合金工具的发展和应用。
[0003]研究人员通常采用表面脱Co或施加过渡层的方法改善金刚石涂层与基体的结合强度。但是采用酸或碱溶液腐蚀、氢等离子体或含氧的氢等离子体刻蚀、激光照射、惰性气体热处理等表面脱Co处理法，一般会造成基体表层的组织疏松，引起涂层工具断裂强度大幅度下降，不适用于处理尺寸较小的工具。所以施加过渡层法被认为是能够解决金刚石膜结合强度的最有效方法。性能优良的过渡层，不但要求所选材料的热膨胀系数与基体和涂层具有良好的匹配性，能够同时与基体和涂层形成高的结合强度，而且应具有高的硬度和韧性。
[0004]11、21把、￥、他、了&、0、10、￥等1￥、￥、/1族金属或其合金形成的碳化物具有高的弹性模量和硬度，热膨胀系数与硬质合金基体相近，金刚石容易形核，所以常被研究用作过渡层使用。但是这些金属及其合金的碳化物脆性大，且热膨胀系数与金刚石存在较大差异，从而导致内应力较高。同时，磁控溅射等常用的物理气相沉积法在硬质合金表面制备这些碳化物时，由于沉积温度较低，涂层与基体间的原子扩散动能很小。所以，涂层一般是物理附着在基体材料表面，结合强度较低，在实际应用时对金刚石涂层性能的改善效果并不理雄
V QjN O
[0005]SiC的硬度及热膨胀系数介于硬质合金和金刚石之间，是比较理想的作为过渡层的非金属碳化物材料。但是人们采用CVD法在硬质合金表面直接制备SiC涂层时，需要在较低的温度下进行。这是由于基片温度偏高时基体中Co的催化作用，很容易生成SiC晶须。SiC晶须是一种很少缺陷的，有一定长径比的单晶纤维，有较高的韧性和强度。但是由于连续性差，晶须之间存在大量的空隙，所以不能够作为过渡层使用。偏低的沉积温度，容易出现非晶态的SiC涂层，这种非晶态的涂层比较疏松，机械性能非常差。能够制备致密、连续且满足作为过渡层使用的SiC涂层的沉积温度范围较小。所以一些研究人员在使用SiC作为过渡层时，为了获得高的结合强度，又不得不先使用刻蚀法去除硬质合金层中的Co。因此，Co的催化作用成为限制SiC作为过渡层使用的关键因素之一。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种硬质合金表面制备金刚石涂层的方法。本发明方法综合利用了:1) CVD法在硬质合金表面容易制备韧性好和强度高的SiC晶须；2) IV、V、VI族金属或合金形成的金属碳化物具有高的硬度；3)双辉等离子体表面冶金技术能够实现难熔金属在基体材料中形成较厚扩散层的特点，制备与硬质合金基体呈冶金结合的以SiC晶须增韧的难熔金属碳化物渗渡层。并以这种渗渡层为过渡层制备金刚石涂层，达到增强金刚石涂层和硬质合金基体间的结合强度、提高整个涂层性能的目的。
[0007]本发明是通过如下技术方案实现的:
一种硬质合金表面制备金刚石涂层的方法，通过如下方法实现:(I)制备复合过渡层:采用化学气相沉积方法在硬质合金表面制备SiC晶须，然后使用双辉等离子体表面冶金技术在制备了 SiC晶须的硬质合金表面制备难熔金属碳化物渗镀层；(2)制备金刚石涂层:以包含SiC晶须的难熔金属碳化物渗镀层为过渡层，在硬质合金表面制备金刚石涂层。
[0008]所述的复合过渡层制备工艺如下:1)将硬质合金工件放入化学气相沉积装置中，以四甲基硅烷作为前驱体、氢气为反应气体，在硬质合金表面进行SiC晶须的制备，硬质合金工件温度为900-1050°C，四甲基硅烷占氢气的体积百分比为1-4%，制备时间为10-30min ;2)将制备了 SiC晶须的硬质合金工件放入双辉等离子体渗金属炉内，以难熔金属或其合金材料作为革E材，调整革E材与工件间距为15-20mm，抽真空至真空度达到IPa以下，通入惰性气体Ar和含碳气体的混合气体，其中Ar气流量为60_80sccm，含碳气体含量占Ar气的体积百分比为1_5%，真空腔室压强控制在30-50Pa，开启源极和工件极电源，控制源极电压在500-800V，工件极电压在350-550V，进行难熔金属碳化物渗镀层的制备，工件温度为 800-1000°C，时间为 0.5-2ho
[0009]其中，所述的难熔金属为T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W ;所述的含碳气体为CH4、C2H2' C3Hso
[0010]硬质合金工件上SiC晶须和金刚石涂层的制备方法包括微波等离子体化学气相沉积方法、热丝化学气相沉积方法、直流电弧等离子体喷射化学气相沉积方法。
[0011]本发明方法与现有技术相比，具有如下有益效果:
本发明制备的金刚石涂层通过先在硬质合金表面制备一层SiC晶须；然后在制备了SiC晶须的硬质合金表面制备难熔金属碳化物渗镀层；最后，以包含SiC晶须的难熔金属碳化物渗镀层为过渡层制备金刚石涂层。
[0012]其中，SiC晶须的热膨胀系数介于硬质合金和金刚石之间，其作为增韧相散布在难熔金属碳化物渗镀层中的同时，能够起到降低难熔金属碳化物热膨胀系数的作用，热膨胀系数的阶梯分布有利于解决基体、过渡层和金刚石之间的热膨胀系数不匹配问题。
[0013]其次，双辉等离子表面冶金技术制备的难熔金属碳化物渗镀层能够与硬质合金形成牢固的冶金结合，增加过渡层与硬质合金的结合强度，从而增加金刚石涂层与基体的结合强度。
[0014]最后，难熔金属碳化物具有较高的硬度，但是其脆性也相对较大，而SiC晶须则具有较高的韧性，将其作为增韧相，能够调节难熔金属碳化物脆性高的缺点，使最终所制备的包含SiC晶须的难熔金属碳化物渗镀层综合了前者的高硬度和后者的高韧性，使得该渗镀层和硬质合金基体及金刚石涂层均有良好的机械性能匹配。
【附图说明】
[0015]图1为本发明中硬质合金工件表面制备SiC晶须后的工件剖面图。
[0016]图2为本发明中在硬质合金工件表面制备了难熔金属碳化物渗镀层后的剖面图。
[0017]图3为本发明在制备了复合过渡层的硬质合金工件表面沉积金刚石涂层的剖面图。
[0018]图中:1-硬质合金工件、1-1-硬质合金颗粒、l-2-Co粘结剂、2-SiC晶须、3_难熔金属碳化物渗镀层、4-金刚石涂层。
【具体实施方式】
[0019]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，使所属技术领域的技术人员能够理解和实现，其所述的有益效果也能够通过具体的实施例实现。
[0020]实施例1
以包含SiC晶须的T