提高硬质合金与金刚石涂层结合强度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料涂层技术领域，具体是一种提高硬质合金与金刚石涂层结合强度 的方法。
【背景技术】
[0002] 金刚石具有极高的硬度、极好的耐磨性、极低的摩擦系数、最高的热导率等优异性 能，是理想的涂层工具材料。采用化学气相沉积（CVD)法将其沉积在硬质合金（WC-CO)工具 表面获得的金刚石涂层工具，兼备了金刚石的高硬度与硬质合金的高韧性等特点，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。
[0003] 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，从而造成的金刚石涂层与基体间存在结合强度差等问题，限制了金 刚石涂层硬质合金工具的发展和应用。为解决这一问题，人们常采用的措施有： 表面脱Co处理法：通常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、准分子激光照射、惰性气体热处理等方法，去除WC-Co基体表层的Co,以达到消除其负 面影响，改善金刚石膜与基体结合性能的目的。这种方法大都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，一般不适用于处理尺寸较小的工具。
[0004] 施加过渡层法：在基体表面先制备一层或多层过渡层，阻挡Co向外扩散，抑制 其对金刚石沉积的负面作用，改善金刚石涂层与WC-Co基体间的结合强度。这种方法一般 不会对基体表层造成损害，也不会影响涂层工具断裂强度等机械性能，因此是目前研宄改 善WC-Co基体表面金刚石涂层结合性能的主要方法。
[0005] 相关的研宄表明，施加的过渡层不但要求具有较高的致密性，还要求必须有一定 的厚度，以避免Co在金刚石沉积的过程中，再次扩散到涂层/过渡层界面处，影响金刚石的 生长。然而，无论是采用传统的物理气相沉积（PVD)法还是CVD法，制备的过渡层与基体间 一般为物理附着，仅存在纳米级厚度的扩散层，这使得金刚石涂层/硬质合金之间增加了 一个或多个新的界面(即过渡层/基体界面、过渡层层间界面等)，热膨胀系数等物理性能的 差异会引发界面应力，且这种界面应力会随着过渡层厚度的增加而增大，在一定程度上影 响膜-基结合强度。
[0006] 双层辉光等离子体表面合金化（DGPAT)技术能够对钢铁材料、钛合金、铜合金、 TiAl金属间化合物等材料进行表面强化、耐蚀等方面的处理。研宄表明，这种方法不但能够 使用较高熔点的金属材料作为源极靶材，而且能够在材料表面制备具有一定厚度的沉积层 以及成分梯度分布、厚度可达几十微米的扩散层。
[0007] 本专利发明人尝试采用DGPAT技术，利用Mo、Cr、W等金属材料与金刚石、WC-Co均 有良好物理和化学匹配性的特点，将其作为源极靶材，在YG6 (WC-6%Co)工件表面先进行 了金属涂层的制备研宄。而后，以金属涂层作为过渡层，利用微波等离子体化学气相沉积 (MPCVD)法进行了金刚石涂层的沉积实验。所得到的研宄结果显示： 在硬质合金工件表面制备的金属涂层同样存在沉积层和扩散层。工件表面覆盖的 沉积层由靶材金属元素构成，扩散层中靶材金属元素替代了Co元素原来的位置，与基体间 的组织、结构、成分呈明显的梯度分布。表面合金化处理后，离子轰击会使基体表层脱碳，并 形成c〇6w 6c、c〇3w3c等导致基体性能降低的n相。
[0008] 以金属涂层作为过渡层进行金刚石沉积时，扩散层能够有效阻挡Co元素向表 层扩散。但是，由于沉积层的硬度远低于硬质合金工件和金刚石，造成金刚石涂层/WC-CO工件之基体间存在软质层，在一定程度上降低了涂层工具的使用性能，其影响随着沉积层 厚度的增加会愈加明显。在金刚石沉积后，由于碳元素向硬质合金工件中的扩散，n相的 量会有所降低，却不能完全被消除。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，而提供一种提高硬质合金 与金刚石涂层结合强度的方法。本发明方法首先能够克服过渡层/基体间新界面产生引发 的界面应力问题；其次，能够避免在金刚石涂层和硬质合金基体间引入软质中间层；再次， 能够避免导致基体性能降低的n相的产生；最后，通过阻挡Co元素的扩散，抑制其负面催 化作用，达到增强金刚石涂层和硬质合金基体间的结合强度的目的。
[0010] 本发明是通过如下技术方案实现的： 一种提高硬质合金与金刚石涂层结合强度的方法，其特征在于，通过如下方法实现：采 用双层辉光等离子体表面合金化技术，以金属碳化物形成元素材料或金属碳化物形成元素 的复合材料作为靶材，以惰性气体作为保护气体、含碳气体作为先驱体，以硬质合金作为工 件，在工件表层制备扩散阻挡层，最后在含有扩散阻挡层的工件表面制备金刚石涂层；其 中，所述的扩散阻挡层制备工艺如下： 1) 将工件表面用粒度为3-10 ym的金刚石微粉研磨粗化，然后用去离子水和丙酮分别 超声清洗，并用热风吹干； 2) 将预处理后的工件放置在双层辉光等离子体表面合金化设备内，以金属碳化物形成 元素材料或金属碳化物形成元素的复合材料作为靶材，调整靶材与工件间距为15-20mm，抽 真空至真空度达到IPa以下，通入惰性气体和含碳气体的混合气体，其中惰性气体流量为 60-80sccm，含碳气体含量占惰性气体的1%-5%，真空腔室压力控制在30-50Pa，开启阴、源 极电源，将源级电压调整至300-600V，同时调整阴极电压，使其高于源极电压200-300V，对 工件进行预溅射，预溅射温度为700-1000°C，预溅射时间为15 min; 3) 预溅射结束后，将阴极电压调整至400-700V，同时调整源极电压，使其高于阴极电 压100-200V，当工件温度达到预定温度700-1000°C时，涂层开始沉积，沉积lOmin后停止通 入含碳气体，总沉积时间为〇. 5-lh，此时制备的涂层包括扩散阻挡层和沉积层，其中的扩散 阻挡层是指渗入工件中硬质合金颗粒之间取代钴粘结剂的部分及与钴粘结剂互扩散的部 分，沉积层是指沉积在工件表面以外的部分； 4) 涂层制备结束后，再次调整阴极和源极电压，使阴极电压高于源极电压200-300V，控 制工件温度为700-1000°C，再次通入含碳气体，含碳气体含量占惰性气体的1%_5%，开始对 工件进行反溅射，去除工件表面的沉积层，反溅射时间为0. 5-1 h，反溅射结束后，冷却并取 出工件，反溅射去除沉积层后，工件的表层只剩扩散阻挡层。
[0011] 其中，所述的金属碳化物形成元素包括Mo、W、Cr、Nb、Ti、Ta、Zr、Hf、Re等，所述的 惰性气体为Ar，所述的含碳气体包括CH 4、C2H2、C3H8等。
[0012] 硬质合金工件上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等。
[0013] 本发明方法与现有技术相比，具有如下有益效果： 1)本发明制备的扩散阻挡层与工件基体间成分、结构呈梯度分布，无明显的界面存在， 同时利用反溅射将表面沉积层去除，不仅能够避免常规方法制备过渡层因过渡层/基体间 新界面的产生引发界面应力的问题，而且能够有效地消除在金刚石和硬质合金间引入的软 质中间层，使得本发明制备的扩散阻挡层在阻挡Co扩散的同时，更有效的提高金刚石涂层 /硬质合金工件的结合强度。
[0014] 2)本发明选择的扩散阻挡层元素均为能够形成碳化物的金属元素，碳化物的形成 能够降低样品的表面自由能，有利于金刚石涂层的快速形核。