本發明專利技術提供了一種多孔金剛石涂層及其制備方法和應用。根據本發明專利技術的多孔金剛石涂層，包括金屬基體，所述金屬基體表面設有碳化硅復合中間層，所述碳化硅復合中間層中鑲嵌有相互分散的金剛石晶粒，這些分散的金剛石晶粒之間形成了間隙和多孔結構，具有防止磨屑堵塞的效果。本發明專利技術的多孔金剛石涂層，用于刀具時，加工質量好，加工精度高，磨損率低，使用壽命長。此外，本發明專利技術的多孔金剛石涂層，不受工具形狀的限制，可在任意復雜形狀的微型精密工具上實現快速可控沉積，具有應用范圍廣、精度高、成本低等優點。本發明專利技術還提供了多孔金剛石涂層的制備方法和應用。
【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于精密機械加工，具體涉及一種多孔金剛石涂層及其制備方法和應用。
技術介紹
1、隨著航空航天、微機電系統、微電子、醫療器械、汽車以及通訊領域行業的發展，人們對微小型高精密零件的需求日益增加，如微流體芯片上的微通道、微型熱轉換器、微型傳感器、飛機和制導武器用導航系統中的微型陀螺儀等。微型關鍵核心部件多數為半導體、陶瓷材料，如用于微處理器和電極的單晶硅，用于基座和晶片載體的石英，用于5g射頻芯片的碳化硅、氮化鎵、碳化硅等等。這些材料由于硬度高、脆性大、極易解理，因此加工精度和表面質量不穩定，且碎片率極高，是典型的難加工材料。
2、相關技術中，對于微小型高精密零件，采用超微細機械加工方式，用金剛石刀具進行超精密車削、超精密銑削和超精密磨削。半導體核心部件除了材料本身難加工的特點外，加工件常常形狀復雜、微小，所需鉆削加工的微孔直徑在1μm至1mm之間，并且對加工精度(0.1～1μm)和表面粗糙度(ra0.02～0.1μm)要求高。傳統的單晶金剛石和聚晶金剛石(pcd)超硬刀具材料需要通過鑲嵌、燒結等工藝進行應用，在形狀復雜的微型精密工具表面制備，存在密度低、均勻性差、耐磨性差和工件表面粗糙度高的缺點，難以應用。
技術實現思路
1、本專利技術旨在至少解決現有技術中存在的上述技術問題之一。為此，本專利技術提供了一種多孔金剛石涂層，該多孔金剛石涂層通過中間層，以及分散的金剛石晶粒之間形成的防磨屑堵塞多孔結構，制備出適用于加工精度高，磨損率低，使用壽命長的刀具涂層。
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p>2、本專利技術還提供了一種制備多孔金剛石涂層的方法。3、本專利技術還提供了一種多孔金剛石涂層的應用。
4、本專利技術的第一方面提供了一種多孔金剛石涂層，包括金屬基體，所述金屬基體表面設有碳化硅復合中間層，所述碳化硅復合中間層中鑲嵌有分散的金剛石晶粒。
5、微型工具通常以硬質合金或高速鋼為基體，以金剛石為涂層。超微細加工過程中需要使用較小的切削深度，采用的刀具需要刃口非常鋒利和高穩定性。刀具基體材料通常為硬質合金或高速鋼，并在其表面鍍硬質涂層。金剛石由于其極高的硬度、極高的耐磨性、極高的彈性模量、化學親和性等優秀的物理化學特性，是超微細加工理想的刀具材料。
6、本專利技術關于多孔金剛石涂層的技術方案中的一個技術方案，至少具有以下有益效果：
7、硬脆材料加工中，一方面，加工工具的硬質涂層如金剛石涂層與基體結合力差，金剛石涂層與刀具基體的結合不足，會直接導致涂層失效和刀具壽命低，是金剛石涂層技術的關鍵技術問題。本專利技術針對結合力差的原因，通過在金屬基體表面設置碳化硅復合中間層作為過渡中間層結構，在抑制鈷擴散的同時降低內應力，提升了硬質涂層與基體的結合力。另一方面，加工工具的硬質涂層，在磨削過程中產生的磨屑易將砂輪堵塞，加工質量差，本專利技術的多孔金剛石涂層，碳化硅復合中間層中鑲嵌有分散的金剛石晶粒，這些分散的金剛石晶粒之間形成了間隙和多孔結構，具有防止磨屑堵塞的效果，由此，本專利技術的多孔金剛石涂層，用于刀具時，加工質量好，加工精度高，磨損率低，使用壽命長。
8、本專利技術的多孔金剛石涂層，所述金屬基體表面設有碳化硅復合中間層，所述碳化硅復合中間層中鑲嵌有分散的金剛石晶粒。金屬基體和涂層的結合強度和熱應力有關。制備過程中，涂層生長的溫度可以達到八百多攝氏度，當降到室溫時，基體和涂層的熱膨脹系數不同，因此存在熱應力。硬質合金和碳化硅的膨脹系數不同，加入金剛石后，可以調節膨脹系數。具體而言，涂層生長初期，碳化硅多，金剛石少，熱膨脹系數偏向于碳化硅；隨著涂層的生長，碳化硅減少，金剛石數量越多，體積越大，熱膨脹系數偏向于金剛石，最終，膨脹系數變小，多孔金剛石涂層與金屬基體的結合力更優。
9、本專利技術的多孔金剛石涂層，從金屬基體到表面的熱膨脹系數呈現逐漸變小的趨勢。
10、本專利技術的多孔金剛石涂層，不受工具形狀的限制，可在任意復雜形狀的微型精密工具上實現快速可控沉積，具有應用范圍廣、精度高、成本低等優點。
11、根據本專利技術的一些實施方式，每個所述金剛石晶粒，一部分埋設在所述碳化硅復合中間層中，另一部分裸露在所述碳化硅復合中間層外，形成凸起。
12、碳化硅復合中間層的作用類似于粘結劑，可以將金剛石晶粒的一部分埋在碳化硅復合中間層中，通過碳化硅復合中間層來提高涂層與基體的結合強度，金剛石晶粒之間形成的孔洞結構可以防止砂輪被磨屑堵塞，最終提高磨具的使用壽命。可以理解，作為磨具而言，為了利于打磨，需要粗糙度大，磨具要求表面有大顆粒，而磨具不像鉆頭，鉆頭上有螺紋可以排屑，但磨具沒有排屑，如果磨具工作過程中產生的磨屑沒有被及時排掉，則很容易劃傷被加工工件的表面。而本專利技術的多孔金剛石涂層，金剛石晶粒之間形成的多孔結構，這些多孔結構為磨具工作過程中產生的磨屑提供了容納場所，磨具工作過程中產生的磨屑會流到孔洞中，從而保護了被加工工件的表面不被劃傷。
13、對于一般的涂層而言，金剛石晶粒是整體全部埋在鍍層或粘結劑中的。而本專利技術的多孔金剛石涂層中，每個金剛石晶粒，一部分埋設在碳化硅復合中間層中，另一部分裸露在碳化硅復合中間層外，形成凸起。
14、根據本專利技術的一些實施方式，所述金剛石晶粒的高度大于所述碳化硅復合中間層的厚度。
15、金剛石晶粒尖端的高度和寬度，分別相當于磨粒凸起的高度和寬度，磨粒尺寸和密度會直接影響磨削加工性能。金剛石晶粒的高度大于碳化硅復合中間層的厚度，保證了碳化硅復合中間層表面上具有足夠多的磨粒凸起，從而具有更好的磨削效果。
16、根據本專利技術的一些實施方式，所述金剛石晶粒的取向垂直于所述金屬基體表面。
17、根據本專利技術的一些實施方式，所述金剛石晶粒包括微米級金剛石晶粒和亞微米級金剛石晶粒中的至少一種。
18、根據本專利技術的一些實施方式，所述金屬基體包括硬質合金或高速鋼。
19、根據本專利技術的一些實施方式，硬質合金包括yg6、yg8、yg6x和yg6m。
20、根據本專利技術的一些實施方式，硬質合金包括yg6?4130511、yg6x?4130511、yg84130511和yg6m?4160511。
21、本專利技術的第二方面提供了一種制備所述的多孔金剛石涂層的方法，包括以下步驟：依次用堿性溶液和酸性溶液對所述金屬基體的表面進行預處理后，通過熱絲化學氣相沉積，在所述金屬基體的表面上沉積形成所述碳化硅復合中間層和所述金剛石晶粒。
22、常用的涂層制備工藝包括聚晶金剛石法(polycrystalline?diamond，簡稱pcd)、電鍍、化學鍍、化學氣相沉積法(chemical?vapor?deposition，簡稱cvd)等。金剛石磨具通常通過電鍍或釬焊制成。其中，電鍍工具由于缺乏化學鍵的作用而導致晶粒/基體附著力較弱。釬焊的金剛石由于高溫釬焊會導致熱損傷。
23、cvd是通過先驅反應物，在活化環境(熱、光、等離子體)下通過分解、原子間的化學反應生成固態薄膜本文檔來自技高網
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【技術保護點】
1.一種多孔金剛石涂層，其特征在于，包括金屬基體，所述金屬基體表面設有碳化硅復合中間層，所述碳化硅復合中間層中鑲嵌有分散的金剛石晶粒。
2.根據權利要求1所述的多孔金剛石涂層，其特征在于，每個所述金剛石晶粒，一部分埋設在所述碳化硅復合中間層中，另一部分裸露在所述碳化硅復合中間層外，形成凸起。
3.根據權利要求1所述的多孔金剛石涂層，其特征在于，所述金剛石晶粒的高度大于所述碳化硅復合中間層的厚度。
4.根據權利要求1所述的多孔金剛石涂層，其特征在于，所述金剛石晶粒的取向垂直于所述金屬基體表面。
5.根據權利要求1至4任一項所述的多孔金剛石涂層，其特征在于，所述金剛石晶粒包括微米級金剛石晶粒和亞微米級金剛石晶粒中的至少一種。
6.根據權利要求1至4任一項所述的多孔金剛石涂層，其特征在于，所述金屬基體包括硬質合金或高速鋼。
7.一種制備如權利要求1至6任一項所述的多孔金剛石涂層的方法，其特征在于，包括以下步驟：依次用堿性溶液和酸性溶液對所述金屬基體的表面進行預處理后，通過熱絲化學氣相沉積，在所述金屬基體的表面上沉積形成所述碳化硅復合中間層和所述金剛石晶粒。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述堿性溶液包括無機堿、鐵氰化物和水。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述無機堿的質量、鐵氰化物的質量和水的體積比為1:1:10～100。
10.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述酸性溶液為濃硫酸和雙氧水的混合物。
11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，所述濃硫酸和雙氧水的體積比為10:10～100。
12.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述熱絲化學氣相沉積的方法為：調節所述金屬基體的表面與熱絲的距離，抽真空后，通入混合氣體，加熱燈絲，在所述金屬基體的表面沉積形成碳化硅復合中間層和金剛石晶粒。
13.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述金屬基體的表面與熱絲的距離為15mm～30mm。
14.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述混合氣體包括氫氣、甲烷和有機硅烷。
15.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，所述加熱燈絲至溫度為1500℃～2800℃。
16.根據權利要求12所述的方法，其特征在于，碳化硅復合中間層和金剛石晶粒沉積生長的時間為1h～15h。
17.如權利要求1至6任一項所述的多孔金剛石涂層或如權利要求7至16任一項所述方法制備的多孔金剛石涂層在刀具中的應用。
18.根據權利要求17所述的應用，其特征在于，所述刀具包括磨具、鉸刀、拉刀、劈刀或槽刀。
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【技術特征摘要】
1.一種多孔金剛石涂層，其特征在于，包括金屬基體，所述金屬基體表面設有碳化硅復合中間層，所述碳化硅復合中間層中鑲嵌有分散的金剛石晶粒。
2.根據權利要求1所述的多孔金剛石涂層，其特征在于，每個所述金剛石晶粒，一部分埋設在所述碳化硅復合中間層中，另一部分裸露在所述碳化硅復合中間層外，形成凸起。
3.根據權利要求1所述的多孔金剛石涂層，其特征在于，所述金剛石晶粒的高度大于所述碳化硅復合中間層的厚度。
4.根據權利要求1所述的多孔金剛石涂層，其特征在于，所述金剛石晶粒的取向垂直于所述金屬基體表面。
5.根據權利要求1至4任一項所述的多孔金剛石涂層，其特征在于，所述金剛石晶粒包括微米級金剛石晶粒和亞微米級金剛石晶粒中的至少一種。
6.根據權利要求1至4任一項所述的多孔金剛石涂層，其特征在于，所述金屬基體包括硬質合金或高速鋼。
7.一種制備如權利要求1至6任一項所述的多孔金剛石涂層的方法，其特征在于，包括以下步驟：依次用堿性溶液和酸性溶液對所述金屬基體的表面進行預處理后，通過熱絲化學氣相沉積，在所述金屬基體的表面上沉積形成所述碳化硅復合中間層和所述金剛石晶粒。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述堿性溶液包括無機堿、鐵氰化物和水。
9.根據權利要求8所述的方...
【專利技術屬性】
技術研發人員：王陶，周雙慶，唐永炳，
申請(專利權)人：深圳先進技術研究院，
類型：發明
國別省市：
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