本发明专利技术为一种在硬质合金表面制备梯度硬质复合涂层的方法，使用双层辉光等离子体表面合金化设备，以氩气作为等离子体激发气体，首先使用难熔金属丝和石墨板制作的复合靶材作为源极，在硬质合金表面制备难熔金属及其碳化物复合渗层；然后通入四甲基硅烷和氢气的混合气体，通过不断增加四甲基硅烷的流量，制备包含难熔金属碳化物和碳化硅的梯度复合涂层；最后再通入甲烷，逐渐增加甲烷流量并同时降低四甲基硅烷的流量，制备碳化硅、金刚石梯度复合涂层。本发明专利技术制备的涂层与基体间呈冶金结合，从基体到涂层热膨胀系数呈梯度分布，具有应力小、结合强度高的特点。同时整个涂层在一种装置中连续制备完成，工艺简单、成本低。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于涂层制备
，具体是。
技术介绍
随着现代工业及制造技术的发展，机械加工业朝着高精度、高速切削、干切削、低成本等方向发展，人们对硬质合金刀具提出了越来越高的要求。为了更好地提高刀具的切削性能，满足各种服役要求，人们采用各种涂层技术在硬质合金表面涂覆一层或多层高硬度、高耐磨损性能的材料。在刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜组成的涂层刀具，能够综合硬质合金的高强度和涂层的高硬度，将涂层作为化学屏障和热屏障，也能够减少硬质合金刀具的月牙洼磨损，可以显著地提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命和降低加工成本。在众多硬质合金涂层刀具中，金刚石涂层硬质合金刀具兼备了金刚石的高硬度、高热导率、低摩擦系数和硬质合金的高韧性、高强度等特点，在有色金属及其合金、各种颗粒或纤维增强复合材料、高技术陶瓷等材料的加工领域有着广阔的应用前景。但是由于硬质合金(WC-Co)中的金属粘结剂Co在CVD金刚石过程中抑制金刚石相的形核、催化石墨相的生成，，导致涂层与基体结合强度较差，这也成为限制这种工具发展和应用的主要因素。针对这一问题，人们通常采用的措施有: 表面脱Co处理法: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。这种方法在一定程度上能够达到改善金刚石涂层与基体结合性能的目的，但是Co粘结剂被去除后易造成基体表层的组织疏松，使得涂层工具断裂强度大幅度下降，特别是在处理尺寸较小的工具时尤为明显。施加过渡层法:在金刚石涂层和基体之间施加过渡层，阻挡Co扩散，抑制其对金刚石沉积的负面作用。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，是目前被公认为能够有效改善结合强度的方法。为保证涂层和基体之间的结合强度，要求施加的过渡层不但具有较高硬度，而且具有较低的热膨胀系数，以满足与硬质合金和金刚石均有较高的热力学性能和机械性能匹配。IV、V、VI族难熔金属形成的间隙型碳化物由于具有较高的硬度和弹性模量，多被通过磁控溅射等物理气相沉积(PVD)法将其制备在硬质合金表面作为过渡层使用。这些难熔金属碳化物的热膨胀系数虽然与硬质合金的相近，但是与金刚石的差别却比较大。同时，使用PVD法制备的过渡层大多是物理附着在硬质合金基体上，呈机械结合，所以过渡层与基体及金刚石涂层间的应力大、结合强度较低。CVD法制备的碳化硅涂层的热膨胀系数介于硬质合金与金刚石之间，是人们研究较多的作为过渡层使用的非金属共价键碳化物。但是，直接在硬质合金基体上获得致密、连续的碳化硅难度较高。这是由于沉积温度较低时制备的碳化硅，一般为疏松且硬度较低的非晶态。而温度较高时，由于硬质合金中Co的催化作用，容易形成分散的碳化硅晶须。此外，在过渡层制备结束后，为了保证金刚石涂层具有较高的形核密度和沉积速率，一般需要再对包含过渡层的硬质合金基体表面进行预处理。这使得加工时间和制备流程变长，工艺变得复杂，因此不利于大规模工业化生产的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，而提供。本专利技术方法制备的梯度硬质复合涂层与基体不仅成分呈梯度变化，无新界面的增加，且热膨胀系数也呈梯度变化，能够有效避免因为热膨胀系数差异引起的热应力问题。此外，整个涂层制备是在同一台等离子表面合金化设备中连续沉积完成，工艺流程和时间成本大大降低，有利于实现大规模工业化生产。本专利技术是通过如下技术方案实现的: ，包括如下步骤:1)制备难熔金属及其碳化物复合渗层:使用双层辉光等离子体表面合金化设备，以氩气作为等离子体激发气体，使用难熔金属丝和石墨板制作的复合靶材作为源极，在硬质合金表面制备难熔金属及其碳化物复合渗层；2)制备包含难熔金属碳化物和碳化硅的梯度复合涂层:通入四甲基硅烷和氢气的混合气体，通过不断增加四甲基硅烷的流量，制备包含难熔金属碳化物和碳化硅的梯度复合涂层；3)制备碳化硅、金刚石梯度硬质复合涂层:通入甲烷，逐渐增加甲烷流量并同时降低四甲基硅烷的流量，制备碳化硅、金刚石梯度硬质复合涂层。其中，所述的难熔金属及其碳化物复合渗层的具体制备方法如下:硬质合金工件用去离子水和酒精分别进行超声清洗，用热风吹干，将清洗后的硬质合金工件置于双层辉光等离子体表面合金化设备的基片台上，使用难熔金属丝和石墨板制作的复合靶材作为源极，控制硬质合金工件上表面与靶材之间的距离为18-20mm，待双层辉光等离子体表面合金化设备抽真空至IPa以下时，通入氩气作为保护气体和等离子体激发气体，其流量为60-80sccm，设备内压强35_65Pa，打开源极电源和工件极电源，控制压差为200-300V，将硬质合金工件的温度升至700-1000°C，处理时间10-30 min，在硬质合金工件表层上形成深度为l-3Pm的难熔金属及其碳化物复合渗层； 所述的难熔金属碳化物和碳化硅的梯度复合涂层的具体制备方法如下:当难熔金属及其碳化物复合渗层制备结束后，向双层辉光等离子体表面合金化设备内通入四甲基硅烷和氢气，控制总流量为5~20sCCm，四甲基硅烷占氢气的体积百分比为10~20%，硬质合金工件的温度为800-1100°C，制备时间为10min-lh，制备过程中逐渐增加四甲基硅烷的流量，使涂层中碳化硅的含量逐渐增加，通过调节氩气的流量，将设备内压力控制在35-65Pa，在难熔金属及其碳化物复合渗层表面制备厚度为2-8μπι的难熔金属碳化物和碳化硅的梯度复合涂层； 所述的碳化硅、金刚石梯度硬质复合涂层的具体制备方法如下:当难熔金属碳化物和碳化硅的梯度复合涂层制备结束后，向双层辉光等离子体表面合金化设备内通入甲烷，控制甲烷流量为1-5 sccm，硬质合金工件温度为800-1000 °C，沉积时间为5_10h，制备过程中逐渐增加甲烷的流量，同时降低四甲基硅烷的流量，最后甲烷占氢气的体积百分比为2%-4%，四甲基硅烷流量为0，使涂层中金刚石的含量逐渐增加，碳化硅的含量逐渐降低，最终涂层表层仅为金刚石涂层。上述
技术实现思路
中，所述的难恪金属和金属碳化物元素为T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W 等。本专利技术的有益效果如下: 1)本专利技术通过采用双辉等离子表面合金化技术在硬质合金表面制备了梯度复合硬质涂层。涂层整体的成分和热膨胀系数、硬度均为梯度分布，无新界面的产生和成分突变的界面，如图1所示，因此具有优异的膜基结合强度。制备的涂层包括三个部分，内部难熔金属及其碳化物复合渗层，中间难熔金属碳化物和碳化硅复合涂层和外部碳化硅、金刚石梯度复合涂层。其中，内部渗层充分利用碳化物的高硬度和金属的高韧性，同时也能够有效阻挡粘结相钴的向外扩散；中间涂层通过在涂层中添加碳化硅，降低涂层的热膨胀系数；外部涂层中金刚石成分梯度增加使涂层硬度不断提高，热膨胀系数不断降低。2)本专利技术采用同一台双辉等离子表面合金化装置，实现了难熔金属及其碳化物复合渗层、难熔金属碳化物和碳化硅复合涂层和碳化硅、金刚石复合涂层的连续性生长，整个工艺流程时间大大缩短，且成本大幅降低，非常适用于金刚石涂层工具的大规模工业化生产。【附图说明】图1为本专利技术方法处理后的硬质合金工件的截面示意图。图中:1_硬质合金、1-1-本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种在硬质合金表面制备梯度硬质复合涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：1）制备难熔金属及其碳化物复合渗层（2）：使用双层辉光等离子体表面合金化设备，以氩气作为等离子体激发气体，使用难熔金属丝和石墨板制作的复合靶材作为源极，在硬质合金（1）表面制备难熔金属及其碳化物复合渗层（2）；2）制备包含难熔金属碳化物和碳化硅的梯度复合涂层（3）：通入四甲基硅烷和氢气的混合气体，通过不断增加四甲基硅烷的流量，制备包含难熔金属碳化物和碳化硅的梯度复合涂层（3）；3）制备碳化硅、金刚石梯度硬质复合涂层（4）：通入甲烷，逐渐增加甲烷流量并同时降低四甲基硅烷的流量，制备碳化硅、金刚石梯度硬质复合涂层（4）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：于盛旺，高洁，王荣，张阿莉，黑鸿君，申艳艳，刘小萍，贺志勇，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14
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