多层金刚石涂层及其制备方法、涂层工具的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于真空镀膜技术领域，具体的说是涉及一种多层金刚石涂层及其制备方法、涂层工具。
【背景技术】
[0002]金刚石具有高硬度(HV=100Gpa)、导热性好、低摩擦、超耐磨、结构稳定等特性，在力学、热学、电子学等领域具有广泛的应用前景。目前，金刚石涂层多采用热丝化学沉积(HFCVD)法制备，工艺技术较为成熟、生产成本低，适用于工业生产。但是，由于金刚石强的共价键特征以及HFCVD的成涂层工艺特点，使得金刚石涂层存在涂层应力高、韧性差的缺点，降低了金刚石涂层的使用性能。
[0003]随着金刚石涂层研究的不断深入，目前有多层金刚石涂层的报道，但是已报道的多层金刚石涂层多是亚微米金刚石涂层或纳米金刚石涂层与超细纳米金刚石涂层中的两种涂层作为多层结构。具体的如中国专利CN1563479A中采用电子束辅助热丝化学气相沉积法，制备一种由纳米尺寸的金刚石薄膜(NCD)和亚微米尺寸金刚石薄膜(MCD)交替沉积的多层结构涂层。其中每层NCD厚度为0.01-0.08微米，MCD厚度为0.1-0.3微米。
[0004]再如中国专利CN103436855A中采用热丝化学气相沉积法制备一种微型铣刀金刚石复合涂层，其通过控制沉积过程中气相沉积条件，使得亚微晶生长期和超细纳米晶循环发生，从而形成金刚石亚微晶和超细纳米晶复合涂层。
[0005]上述现有多层金刚石涂层中，纳米金刚石涂层和超细纳米金刚石涂层，晶粒尺寸达到纳米量级使得表面粗糙度大为降低，展现出更好的减摩、耐磨特性。尤其是，超细纳米金刚石涂层晶粒尺寸在几个纳米至几十个纳米之间，使用其作为工具的外层，可以大大降低工具表面粗糙度，减小摩擦系数，提高刀具耐磨性。同时，上述现有多层金刚石涂层由于层界面的增加使得涂层单层厚度降低，可以减小涂层的弯曲应力;此外，层界面对裂纹具有偏转和钝化作用，可以有效提高涂层的整体韧性。如中国专利CN103436855A保持了刃口的锋利，明显改善加工效果，延长刀具使用寿命，减少换刀频率，提高加工效率，降低加工成本。
[0006]但是，随着研究和应用的进一步深入，发现随着金刚石晶粒尺寸的减小，涂层中的非金刚石相逐渐增多，硬度下降。而且现有多层金刚石涂层主要是在亚微米金刚石涂层表面在镀上一层纳米金刚石涂层或者超细纳米金刚石涂层的双层周期性多层复合涂层，这种制备方法以亚微米金刚石涂层为支持层，支持层中存在非金刚石相，硬度及其耐磨性能较微米金刚石层有一定程度的降低。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种多层金刚石涂层及其制备方法，以解决现有多层金刚石涂层硬度不高的技术问题。
[0008]本发明的另一目的在于提供一种涂层工具，以解决表面涂有现有多层金刚石涂层工具由于现有多层金刚石涂层存在的硬度不高而导致工具耐磨性不高和使用寿命短的技术问题。
[0009]为了实现上述发明目的，作为本发明的一方面，提供了一种多层金刚石涂层。所述金刚石涂层包括至少一复合金刚石涂层结构单元，所述复合金刚石涂层结构单元包括微米晶金刚石涂层和依次生长在所述微米晶金刚石涂层表面的纳米晶金刚石涂层和超细纳米晶金刚石涂层。
[0010]作为本发明的另一方面，提供了一种多层金刚石涂层的制备方法，其包括如下制备步骤:
[0011]将用于在其表面生成金刚石的基底进行表面预处理后置于金刚石悬浮液中进行表面接种处理，取出后进行干燥处理；
[0012]将经干燥处理后的所述基底置于真空沉积腔体内，采用热丝化学气相沉积法在所述基底表面至少一次的进行依次沉积生长微米晶金刚石涂层、纳米晶金刚石涂层和超细纳米晶金刚石涂层的步骤。
[0013]作为本发明的又一方面，提供了一种涂层工具。所述涂层工具包括工具本体，在所述工具本体的表面上还结合有本发明多层金刚石涂层，且位于所述多层金刚石涂层端面的所述微米晶金刚石涂层与所述工具本体表面结合。
[0014]与现有技术相比，本发明多层金刚石涂层以微米晶金刚石层为支持层，并结合纳米晶金刚石层与超细纳米晶金刚石层的三层或以该三层为周期性生长的多层复合涂层结构设计，有效提高了本发明多层金刚石涂层的硬度和耐磨性，降低表面粗超度、摩擦系数和涂层应力，并提高涂层韧性。
[0015]本发明多层金刚石涂层的制备方法采用热丝化学气相沉积法，以微米晶金刚石层作为支撑层，再生长纳米晶金刚石层和超细纳米晶金刚石层的三层或者该三层周期性生长，不仅有效利用了微米涂层的高硬度的特性，同时也有效利用了纳米涂层和超细纳米涂层的低粗糙度和摩擦系数等特性。本发明方法还使得各层间的致密性好，抗耐磨性得到提高，表面更为光滑，涂层内应力减小。
[0016]本发明涂层工具由于在其表面结合有本发明多层金刚石涂层，因此，本发明合金工具抗硬度高，刀具表面更为光滑，摩擦力小，耐磨性高，使用寿命长，且多层金刚石涂层与工具本体结合牢固，更有利于精密加工，降低加工成本，提高生产效率。
【附图说明】
[0017]图1为本发明实施例多层金刚石涂层的一种结构示意图；
[0018]图2为本发明实施例多层金刚石涂层的另一种结构示意图；
[0019]图3为本发明实施例多层金刚石涂层制备方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0020]为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例与附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0021]一方面，本发明实施例提供了一种具有高硬度和耐磨性的多层金刚石涂层。本发明实施例多层金刚石涂层结构如图1和图2所示，其包括至少一复合金刚石涂层结构单元，所述复合金刚石涂层结构单元包括微米晶金刚石涂层和依次生长在所述微米晶金刚石涂层表面的纳米晶金刚石涂层和超细纳米晶金刚石涂层。
[0022]因此，本发明实施例多层金刚石涂层具有以下几种实施方案:
[0023]—实施例，本发明实施例多层金刚石涂层只包括一个复合金刚石涂层结构单元，具体如图1所示。该复合金刚石涂层结构单元1包括依次生长结合的微米晶金刚石涂层11、纳米晶金刚石涂层12和超细纳米晶金刚石涂层13。也即是在本实施例中，该多层金刚石涂层包括依次生长结合的微米晶金刚石涂层11、纳米晶金刚石涂层12和超细纳米晶金刚石涂层13。
[0024]另一实施例，本发明实施例多层金刚石涂层包括两个复合金刚石涂层结构单元，即复合金刚石涂层结构单元1和复合金刚石涂层结构单元2，具体如图2所示。该复合金刚石涂层结构单元1包括依次生长结合的微米晶金刚石涂层11、纳米晶金刚石涂层12和超细纳米晶金刚石涂层13;复合金刚石涂层结构单元2包括依次生长结合的微米晶金刚石涂层21、纳米晶金刚石涂层22和超细纳米晶金刚石涂层23。沿着所述微米晶金刚石涂层至超细纳米晶金刚石涂层为单元重复的方向该复合金刚石涂层结构单元1和复合金刚石涂层结构单元2生长结合。也即是在本实施例中，多层金刚石涂层是以依次生长结合的微米晶金刚石涂层、纳米晶金刚石涂层和超细纳米晶金刚石涂层构成的重复单元或者周期性单元。
[0025]在又一实施例中，本发明实施例多层金刚石涂层包括三个以上的复合金刚石涂层结构单元。在本实施例中，每个复合金刚石涂层结构单元均包括依次生长结合的微米晶金刚石涂层、纳米晶金刚石涂层和超细纳米晶金刚石涂层;沿着所述微米晶金刚石涂层至超细纳米晶金刚石涂层为单元重复的方向各复合金刚石涂层结构单元依次生长结合。也即是在本实施例中，多层金刚石涂层是以依次生长结合的微米晶金刚石涂层、纳米晶金刚石涂层和超细纳米晶金刚石涂层构成的重复单元或者周期性单元。
[0026]在优选实施例中，当本发明实施例