提高硬質合金與金剛石涂層結合強度的方法技術

本發明專利技術為一種提高硬質合金與金剛石涂層結合強度的方法，該方法通過以下技術方案實現：采用雙層輝光等離子體表面合金化技術，以金屬碳化物形成元素材料或金屬碳化物形成元素的復合材料作為靶材，以惰性氣體作為保護氣體、含碳氣體作為先驅體，在硬質合金表層制備擴散阻擋層，然后使用化學氣相沉積法在制備了擴散阻擋層的硬質合金表面沉積金剛石涂層。使用本發明專利技術制備的擴散阻擋層能夠有效地阻擋Co元素向硬質合金表層擴散，不僅能夠避免表面脫Co處理法對硬質合金基體的損傷，還能夠避免施加過渡層法因新界面增加而引入的界面應力問題，從而能夠大幅度提高金剛石涂層與硬質合金基體間的結合強度。

【技術實現步驟摘要】
提高硬質合金與金剛石涂層結合強度的方法
本專利技術屬于材料涂層
，具體是一種提高硬質合金與金剛石涂層結合強度的方法。
技術介紹
金剛石具有極高的硬度、極好的耐磨性、極低的摩擦系數、最高的熱導率等優異性能，是理想的涂層工具材料。采用化學氣相沉積（CVD）法將其沉積在硬質合金（WC-Co）工具表面獲得的金剛石涂層工具，兼備了金剛石的高硬度與硬質合金的高韌性等特點，在有色金屬及其合金、各種顆粒或纖維增強復合材料、高技術陶瓷等材料加工領域有著廣闊的應用前景。然而在CVD過程中，WC-Co中的粘結相Co容易引起碳的溶解，抑制金剛石相的形核，促進石墨相的生成，從而造成的金剛石涂層與基體間存在結合強度差等問題，限制了金剛石涂層硬質合金工具的發展和應用。為解決這一問題，人們常采用的措施有：表面脫Co處理法：通常采用酸或堿溶液腐蝕、氫等離子體或含氧的氫等離子體刻蝕、準分子激光照射、惰性氣體熱處理等方法，去除WC-Co基體表層的Co，以達到消除其負面影響，改善金剛石膜與基體結合性能的目的。這種方法大都會造成基體表層的組織疏松，引起涂層工具斷裂強度大幅度下降，一般不適用于處理尺寸較小的工具。施加過渡層法：在基體表面先制備一層或多層過渡層，阻擋Co向外擴散，抑制其對金剛石沉積的負面作用，改善金剛石涂層與WC-Co基體間的結合強度。這種方法一般不會對基體表層造成損害，也不會影響涂層工具斷裂強度等機械性能，因此是目前研究改善WC-Co基體表面金剛石涂層結合性能的主要方法。相關的研究表明，施加的過渡層不但要求具有較高的致密性，還要求必須有一定的厚度，以避免Co在金剛石沉積的過程中，再次擴散到涂層/過渡層界面處，影響金剛石的生長。然而，無論是采用傳統的物理氣相沉積（PVD）法還是CVD法，制備的過渡層與基體間一般為物理附著，僅存在納米級厚度的擴散層，這使得金剛石涂層/硬質合金之間增加了一個或多個新的界面（即過渡層/基體界面、過渡層層間界面等），熱膨脹系數等物理性能的差異會引發界面應力，且這種界面應力會隨著過渡層厚度的增加而增大，在一定程度上影響膜-基結合強度。雙層輝光等離子體表面合金化（DGPAT）技術能夠對鋼鐵材料、鈦合金、銅合金、TiAl金屬間化合物等材料進行表面強化、耐蝕等方面的處理。研究表明，這種方法不但能夠使用較高熔點的金屬材料作為源極靶材，而且能夠在材料表面制備具有一定厚度的沉積層以及成分梯度分布、厚度可達幾十微米的擴散層。本專利專利技術人嘗試采用DGPAT技術，利用Mo、Cr、W等金屬材料與金剛石、WC-Co均有良好物理和化學匹配性的特點，將其作為源極靶材，在YG6（WC-6%Co）工件表面先進行了金屬涂層的制備研究。而后，以金屬涂層作為過渡層，利用微波等離子體化學氣相沉積（MPCVD）法進行了金剛石涂層的沉積實驗。所得到的研究結果顯示：在硬質合金工件表面制備的金屬涂層同樣存在沉積層和擴散層。工件表面覆蓋的沉積層由靶材金屬元素構成，擴散層中靶材金屬元素替代了Co元素原來的位置，與基體間的組織、結構、成分呈明顯的梯度分布。表面合金化處理后，離子轟擊會使基體表層脫碳，并形成Co6W6C、Co3W3C等導致基體性能降低的η相。以金屬涂層作為過渡層進行金剛石沉積時，擴散層能夠有效阻擋Co元素向表層擴散。但是，由于沉積層的硬度遠低于硬質合金工件和金剛石，造成金剛石涂層/WC-Co工件之基體間存在軟質層，在一定程度上降低了涂層工具的使用性能，其影響隨著沉積層厚度的增加會愈加明顯。在金剛石沉積后，由于碳元素向硬質合金工件中的擴散，η相的量會有所降低，卻不能完全被消除。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決上述現有技術中存在的問題，而提供一種提高硬質合金與金剛石涂層結合強度的方法。本專利技術方法首先能夠克服過渡層/基體間新界面產生引發的界面應力問題；其次，能夠避免在金剛石涂層和硬質合金基體間引入軟質中間層；再次，能夠避免導致基體性能降低的η相的產生；最后，通過阻擋Co元素的擴散，抑制其負面催化作用，達到增強金剛石涂層和硬質合金基體間的結合強度的目的。本專利技術是通過如下技術方案實現的：一種提高硬質合金與金剛石涂層結合強度的方法，其特征在于，通過如下方法實現：采用雙層輝光等離子體表面合金化技術，以金屬碳化物形成元素材料或金屬碳化物形成元素的復合材料作為靶材，以惰性氣體作為保護氣體、含碳氣體作為先驅體，以硬質合金作為工件，在工件表層制備擴散阻擋層，最后在含有擴散阻擋層的工件表面制備金剛石涂層；其中，所述的擴散阻擋層制備工藝如下：1）將工件表面用粒度為3-10μm的金剛石微粉研磨粗化，然后用去離子水和丙酮分別超聲清洗，并用熱風吹干；2）將預處理后的工件放置在雙層輝光等離子體表面合金化設備內，以金屬碳化物形成元素材料或金屬碳化物形成元素的復合材料作為靶材，調整靶材與工件間距為15-20mm，抽真空至真空度達到1Pa以下，通入惰性氣體和含碳氣體的混合氣體，其中惰性氣體流量為60-80sccm，含碳氣體含量占惰性氣體的1%-5%，真空腔室壓力控制在30-50Pa，開啟陰、源極電源，將源級電壓調整至300-600V，同時調整陰極電壓，使其高于源極電壓200-300V，對工件進行預濺射，預濺射溫度為700-1000℃，預濺射時間為15min；3)預濺射結束后，將陰極電壓調整至400-700V，同時調整源極電壓，使其高于陰極電壓100-200V，當工件溫度達到預定溫度700-1000℃時，涂層開始沉積，沉積10min后停止通入含碳氣體，總沉積時間為0.5-1h，此時制備的涂層包括擴散阻擋層和沉積層，其中的擴散阻擋層是指滲入工件中硬質合金顆粒之間取代鈷粘結劑的部分及與鈷粘結劑互擴散的部分，沉積層是指沉積在工件表面以外的部分；4）涂層制備結束后，再次調整陰極和源極電壓，使陰極電壓高于源極電壓200-300V，控制工件溫度為700-1000℃，再次通入含碳氣體，含碳氣體含量占惰性氣體的1%-5%，開始對工件進行反濺射，去除工件表面的沉積層，反濺射時間為0.5-1h，反濺射結束后，冷卻并取出工件，反濺射去除沉積層后，工件的表層只剩擴散阻擋層。其中，所述的金屬碳化物形成元素包括Mo、W、Cr、Nb、Ti、Ta、Zr、Hf、Re等，所述的惰性氣體為Ar，所述的含碳氣體包括CH4、C2H2、C3H8等。硬質合金工件上金剛石涂層的制備方法包括微波等離子體化學氣相沉積方法、熱絲化學氣相沉積方法、直流電弧等離子體噴射化學氣相沉積方法等。本專利技術方法與現有技術相比，具有如下有益效果：1）本專利技術制備的擴散阻擋層與工件基體間成分、結構呈梯度分布，無明顯的界面存在，同時利用反濺射將表面沉積層去除，不僅能夠避免常規方法制備過渡層因過渡層/基體間新界面的產生引發界面應力的問題，而且能夠有效地消除在金剛石和硬質合金間引入的軟質中間層，使得本專利技術制備的擴散阻擋層在阻擋Co擴散的同時，更有效的提高金剛石涂層/硬質合金工件的結合強度。2）本專利技術選擇的擴散阻擋層元素均為能夠形成碳化物的金屬元素，碳化物的形成能夠降低樣品的表面自由能，有利于金剛石涂層的快速形核。3）本專利技術在擴散阻擋層制備過程中，通入含碳氣體，能夠避免因為離子轟擊使基體表層脫碳而產生的η相。4）本專利技術在制備擴散阻擋層之前對硬質合金工本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種提高硬質合金與金剛石涂層結合強度的方法，其特征在于，通過如下方法實現：采用雙層輝光等離子體表面合金化技術，以金屬碳化物形成元素材料或金屬碳化物形成元素的復合材料作為靶材，以惰性氣體作為保護氣體、含碳氣體作為先驅體，以硬質合金作為工件（1），在工件（1）表層制備擴散阻擋層（3），最后在含有擴散阻擋層（3）的工件（1）表面制備金剛石涂層（4）；其中，所述的擴散阻擋層（3）制備工藝如下：1）將工件（1）表面用粒度為3?10μm的金剛石微粉研磨粗化，然后用去離子水和丙酮分別超聲清洗，并用熱風吹干；2）將預處理后的工件（1）放置在雙層輝光等離子體表面合金化設備內，以金屬碳化物形成元素材料或金屬碳化物形成元素的復合材料作為靶材，調整靶材與工件（1）間距為15?20mm，抽真空至真空度達到1Pa以下，通入惰性氣體和含碳氣體的混合氣體，其中惰性氣體流量為60?80sccm，含碳氣體含量占惰性氣體的1%?5%，真空腔室壓力控制在30?50Pa，開啟陰、源極電源，將源級電壓調整至300?600V，同時調整陰極電壓，使其高于源極電壓200?300V，對工件（1）進行預濺射，預濺射溫度為700?1000℃，預濺射時間為?15?min；3)預濺射結束后，將陰極電壓調整至400?700V，同時調整源極電壓，使其高于陰極電壓100?200V，當工件（1）溫度達到預定溫度700?1000℃時，涂層開始沉積，沉積10min后停止通入含碳氣體，總沉積時間為0.5?1h，此時制備的涂層包括擴散阻擋層（3）和沉積層（2），其中的擴散阻擋層（3）是指滲入工件（1）中硬質合金顆粒（1?1）之間取代鈷粘結劑（1?2）的部分（3?1）及與鈷粘結劑互擴散的部分（3?2），沉積層（2）是指沉積在工件（1）表面以外的部分；4）涂層制備結束后，再次調整陰極和源極電壓，使陰極電壓高于源極電壓200?300V，控制工件溫度為700?1000℃，再次通入含碳氣體，含碳氣體含量占惰性氣體的1%?5%，開始對工件（1）進行反濺射，去除工件（1）表面的沉積層（2），反濺射時間為0.5?1?h，反濺射結束后，冷卻并取出工件（1），反濺射去除沉積層（2）后，工件（1）的表層只剩擴散阻擋層（3）。...

【技術特征摘要】
1.一種提高硬質合金與金剛石涂層結合強度的方法，其特征在于，通過如下方法實現：采用雙層輝光等離子體表面合金化技術，以金屬碳化物形成元素材料或金屬碳化物形成元素的復合材料作為靶材，以惰性氣體作為保護氣體、含碳氣體作為先驅體，以硬質合金作為工件（1），在工件（1）表層制備擴散阻擋層（3），最后在含有擴散阻擋層（3）的工件（1）表面制備金剛石涂層（4）；其中，所述的擴散阻擋層（3）制備工藝如下：1）將工件（1）表面用粒度為3-10μm的金剛石微粉研磨粗化，然后用去離子水和丙酮分別超聲清洗，并用熱風吹干；2）將預處理后的工件（1）放置在雙層輝光等離子體表面合金化設備內，以金屬碳化物形成元素材料或金屬碳化物形成元素的復合材料作為靶材，調整靶材與工件（1）間距為15-20mm，抽真空至真空度達到1Pa以下，通入惰性氣體和含碳氣體的混合氣體，其中惰性氣體流量為60-80sccm，含碳氣體含量占惰性氣體的1%-5%，真空腔室壓力控制在30-50Pa，開啟陰、源極電源，將源級電壓調整至300-600V，同時調整陰極電壓，使其高于源極電壓200-300V，對工件（1）進行預濺射，預濺射溫度為700-1000℃，預濺射時間為15min；3)預濺射結束后，將陰極電壓調整至400-700V，同時調整源極電壓，使其高于陰極電壓100-200V，當工件（1）溫度...

【專利技術屬性】
技術研發人員：于盛旺，黑鴻君，高雪艷，鐘強，戎臥龍，申艷艷，劉小萍，賀志勇，
申請(專利權)人：太原理工大學，
類型：發明
國別省市：山西;14