一种硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于真空镀膜技术领域，尤其涉及一种用于硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合薄膜涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]近年来，由于汽车、航空等制造业的飞速发展，传统硬质合金刀具在高硅铝合金、金属(陶瓷)基复合材料、碳纤维复合材料、碳化硅颗粒增强铝基复合材料以及印刷电路板材料等难加工材料的加工、特别是切削过程中暴露出诸多问题，使得传统硬质合金刀具无论是在使用寿命、加工精度方面，还是在加工表面完整性等方面，均难以满足要求。金刚石是已知物质中硬度最大的材料，其具有低摩擦系数、低磨损率、高热导率等优势，非常适合作为传统刀具的耐磨减摩涂层材料。但是硬质合金刀具衬底内钴的催化作用使得金刚石沉积过程中容易形成石墨层，从而降低金刚石薄膜与衬底间的结合强度，影响金刚石薄膜寿命，严重阻碍了金刚石涂层刀具的产业化进程。
[0003]为了提高金刚石薄膜与硬质合金基底如Co-WC基底的结合强度，Riccardo Polini等人提出用两步法酸处理硬质合金刀具衬底，去除硬质合金表面的钴相。相对于未处理的硬质合金刀具，处理后的硬质合金基底与后续沉积的金刚石薄膜的结合强度有较大提升。然而，由于硬质合金基底表面的钴含量不是一个恒定值，实际溶剂用量、处理时间都很难有一个标准值，故而很难对这一操作流程进行标准化，导致处理结果的重复性不理想。且该法使用的大量试剂有毒，不适合大批量、大规模的生产金刚石涂层硬质合金刀具。此外，金刚石薄膜的沉积温度一般在750_950°C，高温下，钴的扩散性比较强，导致硬质合金内部的钴会向表面扩散，不利于金刚石沉积的催化作用，反而容易催化产生石墨层，对提高金刚石薄膜与硬质合金衬底之间的结合强度效果不理想。
[0004]在上述的基础上，研究者们发现，在金刚石薄膜和硬质合金刀具衬底之间添加过渡层，在金刚石沉积过程中，过渡层可以充当钴的扩散势皇，有效防止硬质合金刀具内部的钴不断的向表面扩散。目前，文献报道的过渡层材料包括金属过渡层Al、Cu、Nb、T1、W、Cr、Ta等；陶瓷材料过渡层TiN、TiC、SiC、CrN等;非晶碳材料过渡层；以及复合材料过渡层Cu/T1、W/Al、CrN/Cr等。其中，大多单层过渡层无法高效地增强金刚石沉积初始阶段的形核密度。在众多单层过渡层中，J.P.Manaud等人提出CrN具有最好的充当Co扩散势皇的性能，但是由于CrN过渡层较厚，势必会使刀具的锋利度大打折扣;而复合过渡层却面临着生产成本高，操作繁琐等一系列难题，难以向工业化迈进。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层，旨在解决硬质合金衬底和金刚石之间结合强度差、影响金刚石薄膜寿命的问题，进一步解决，现有的过渡层由于无法高效地增强金刚石沉积初始阶段的形核密度、或过渡层过厚导致锋利度降低、或复合过渡层成本高且制备技术要求高等一系列问题。
[0006]本发明的另一目的在于提供一种硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层的制备方法。
[0007]本发明是这样实现的，一种硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层，包括沉积在硬质合金衬底上的碳化硼层，沉积在所述碳化硼层上的金刚石层，所述金刚石层为多晶金刚石层。
[0008]以及，一种硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0009]提供硬质合金衬底器具，对所述硬质合成器具进行预处理；
[0010]在所述硬质合金衬底表面沉积碳化硼层；
[0011 ]在所述碳化硼层上沉积金刚石层。
[0012]本发明提供的硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层，采用碳化硼作为金刚石层和硬质合金衬底之间的过渡层，可以有效抑制所述硬质合金衬底基体的钴元素向所述金刚石层的扩散，在保证金刚石层性能优异的同时，大大地增强了两者之间的结合强度，大幅度地延长了金刚石层的使用寿命。此外，所述碳化硼的热膨胀系数(1.7 X 10—6/K)介于所述硬质合金衬底(4.5 X 10—6/Κ)和金刚石(I X 10—6/Κ)之间，从而可以有效改善因热膨胀系数差异较大导致的残余应力过大的问题。
[0013]本发明提供的硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层的制备方法，操作简单易控，且对设备要求不高，所述氮化硼和金刚石可以在同一设备中沉积，易于实现产业化。此夕卜，采用本发明硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层的制备方法制备得到的金刚石/碳化硼复合涂层，可以有效提高金刚石在所述硬质合金衬底上的结合强度。
【具体实施方式】
[0014]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，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。
[0015]本发明实施例提供了一种硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层，包括沉积在硬质合金衬底上的碳化硼层，沉积在所述碳化硼层上的金刚石层，所述金刚石层为多晶金刚石层。
[0016]本发明实施例中，所述硬质合金衬底包括但不限于硬质合金刀具。
[0017]所述碳化硼层作为所述硬质合金衬底和所述金刚石层的中间过渡层，其厚度有一定的要求。若所述碳化硼层的厚度太薄，则不能起到抑制所述硬质合金衬底基体的钴元素向所述金刚石层的扩散和降低残余应力的作用;若所述碳化硼层的厚度太厚，导致金刚石层的摩擦系数增加，进而降低金刚石的锋利度。作为优选实施例，所述碳化硼层的厚度为100-500nm。所述碳化硼层中的碳化硼的粒径为30-500nm。该优选的碳化硼粒径，可以降低所述碳化硼层的表面粗糙度，进而使得摩擦系数较小，提高减磨性能。
[0018]同样，所述金刚石层的厚度，对形成的硬质合金器具性能影响较大。具体的，所述金刚石层过薄时，在生产实践中较容易消耗殆尽;所述金刚石层过厚时，会降低金刚石的锋利度。作为优选实施例，所述金刚石层的厚度为200ηπι-20μπι。本发明实施例中，所述金刚石层包括纳米晶金刚石薄膜、纳米晶微米晶混合金刚石薄膜中的一种。所述金刚石层中，金刚石的粒径优选为50ηπι-10μπι。该优选的金刚石粒径，可以降低所述金刚石层的表面粗糙度，进而使得摩擦系数较小，提高减磨性能。
[0019]本发明实施例提供的硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层，采用碳化硼作为金刚石层和硬质合金衬底之间的过渡层，可以有效抑制所述硬质合金衬底基体的钴元素向所述金刚石层的扩散，在保证金刚石层性能优异的同时，大大地增强了两者之间的结合强度，较大幅度地降低了金刚石薄膜在严苛的使用条件下剥落的概率，大幅度地延长了金刚石层的使用寿命。其次，所述碳化硼的热膨胀系数(1.7X10—6/K)介于所述硬质合金衬底(4.5 X 10—6/Κ)和金刚石(I X 10—6/Κ)之间，从而可以有效改善因热膨胀系数差异较大导致的残余应力过大的问题。此外，在所述碳化硼层上面制备得到的金刚石层的质量较好，保持较高的摩擦磨损性能。
[0020]本发明实施例所述硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层可以通过下述方法制备获得。
[0021]以及，本发明实施例还提供了一种硬质合金衬底的金刚石/碳化硼复合涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0022]SO1.提供硬质合金衬底器具，对所述硬质合成器具进行预处理；
[0023]S02.在所述硬质合金衬底表面沉积碳化硼层；
[0024]S03.在所述碳化硼层上沉积金刚石层。
[0025]具体的，上述步骤SOl中，所述硬质合金衬底包括但不限于硬质合金刀具。所述硬质合金衬底的材料不受限制，可采用本领域常规的硬质合金衬底材料，包括WC-Co，如型号为YG6的硬质合金刀具。
[0026]本发明实施例中，为了提高所述碳化硼层在所述硬质合金衬底上的结合强度，需要对所述硬质合成器具进行预处理，即表面清洁处理。作为优选实施例，所述预处理的方法为:依次采用丙酮、酒精、去离子水进行超声处理，充分除去所述硬质合金衬底表面杂质或污渍，包括有机物和无机物。作为进一步优选实施例，采用丙酮、酒精、去离子水进行超声处理可分别为8-15111；[11、8-15111；[11、和5-15111；[11，具体可为12111；[11、12111；[11和10111；[11。当然，所述预处理方法不限于上述一种方法，也可以采用其他能够清除所述硬质合金衬底表面杂质或污渍的其他方法实现。
[0027]将进行预处理后的所述硬质合金衬底进行干燥处理，为了避免引入其他杂质，所述干燥处理优选采用氮气吹干实现。
[0028]上述步骤S02中，在所述硬质合金衬底表面沉积碳化硼层的方法包括但不限于溶胶碳热还原法、化学气相沉积法。其中，化学气相沉积法包括但不限于常压或低压化学气相沉积法(c-CVD)、热丝化学气相沉积法(HFCVD)、等离子增强化学气相沉积法(PECVD)和同步辐射诱导化学气相沉积法(SRCVD)等。本发明实施例优选采用热丝化学气相沉积法或微波等离子增强化学气相沉积法制备均匀致密的所述碳化硼层。
[0029]作为具体实施例，采用热丝化学气相沉积所述碳化硼层前，应先对热丝进行谈话预处理。以15根间距为10mm，每根直径为0.5mm、长度为250mm的钽丝为例，所述碳化处理的条件可优选如下:调控气压为4.3KPa，在甲烷流量lOsccm、氢气流量200sCCm的条件下，保持热丝温度2200±100°C，处理时间为40±10分钟。当热丝温度基本恒定不变、即热丝温度不再上升时，即表面碳化完成。
[0030]采用热丝化学气相沉积法制备所述碳化硼层时，将碳源和硼源置于还原气氛下进行热处理，气相沉积碳化硼。具体的，抽真空使得内部气压为10—4-10—5Pa，调整热丝温度为1500-2000°C，具体可为1700°C;然后在氢气气氛下，通入硼源和碳源，在温度为600-1000°C具体可为700°C的所述硬质合金衬底表面沉积所述碳化硼薄膜，沉积时间以所述碳化硼层的具体厚度而定，优选为10-60min。作为进一步优选实施例，所述碳源为甲烷，所述硼源为三氯化硼、乙硼烷、三甲基硼烷中的至少一种。更进一步地，沉积腔室中，通过所述氢气、硼源和碳源的气体流量控制硼源和碳源的通入量，优选的，本发明实施例中，所述硼源和碳源的摩尔比为:1:(1-10))，以便高效地获得质地致密均匀的碳化硼层。作为一个具体实施例，在氢气气氛下，将体积百分含量分别为0.1-2.5%的三氯化硼浓度和0.1-3%的甲烧浓度同时通入反应腔体，所述氢气、三氯化硼和甲烷气体流量分别为l-5sccm、l-6sccm和200-600SCCm，沉积腔室的气压维持在2-8KPa。所述硬质合金衬底的温度可以通过调控基片台的高度实现，具体的，可以将基片台上升到一定的高度，使所述硬质合金衬底表面的温度达到600-1000。