一种金刚石涂层的制备方法、金刚石涂层及刀具技术

本发明专利技术公开了一种金刚石涂层的制备方法、金刚石涂层及刀具，其中，所述制备方法为：配置多种纳米尺度金刚石颗粒的悬浮液，按照纳米金刚石颗粒的粒度从大到小顺序，将该多种悬浮液依次用于在预处理后的硬质合金基体表面进行植晶，然后通过微波化学气相沉积法生长金刚石，得到金刚石涂层。本发明专利技术使用多种尺度纳米金刚石颗粒来植晶，并利用表面活性剂对金刚石颗粒进行润湿和分散，可大大提高植晶过程中基体表面的金刚石颗粒密度，使晶种充分覆盖基体表面，表面颗粒尺度丰富，所生长涂层表面光滑，兼具良好的硬度和耐磨性。兼具良好的硬度和耐磨性。兼具良好的硬度和耐磨性。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石涂层的制备方法、金刚石涂层及刀具


[0001]本专利技术属于金刚石薄膜生长领域，具体涉及一种金刚石涂层的制备方法、金刚石涂层及刀具。

技术介绍

[0002]硬质合金是一种具有韧性好、硬度高、热稳定性良好的碳化物(WC、TiC)合金，在耐磨和低粗糙度加工方面应用广泛，是刀具的良好材料。随着硬质难加工材料在精细加工领域越来越多的应用，如汽车、航空航天、集成电路板等，传统的硬质合金刀具已经很难满足加工的精度要求。如何对刀具表面进行强化以扩大其应用范围，是行业内的共性技术热点。
[0003]CVD金刚石薄膜因具有天然金刚石的高硬度、低摩擦系数、良好的冲击韧性等优异的性能，并且工艺简单、可以在复杂形状的硬质合金基体上直接沉积以制造金刚石涂层刀具，而被广泛关注，是理想的工具涂层和耐磨材料。但是，与发达国家相比，我国在CVD金刚石涂层刀具的涂层制备等技术方面还存在较大差距，目前刀具市场上的金刚石涂层刀具也主要以美、德、日等工业发达国家的知名品牌刀具为主，严重阻碍了国内金刚石涂层刀具技术的发展。因此，对硬质合金基体表面沉积的金刚石薄膜开展涂层生长、力学性能研究具有重要意义，如何简单高效的制备高生长质量且兼具良好力学性能、摩擦性能的金刚石薄膜，亟待解决。
[0004]基于现有技术中存在的上述缺点和不足，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一是提供一种高质量的金刚石涂层的制备方法，涂层表面光滑、粗糙度低、同时具备良好的力学性能和摩擦性能。
[0006]本专利技术的另一目的是提供一种硬质合金材料刀具，刀具表面有上述金刚石涂层。
[0007]为了达到上述专利技术目的，第一方面，本专利技术提供一种金刚石涂层的制备方法，该方法为：配置多种纳米尺度金刚石颗粒的悬浮液，按照纳米金刚石颗粒的粒度从大到小顺序，将该多种悬浮液依次用于在预处理后的硬质合金基体表面进行植晶，然后通过微波化学气相沉积法生长金刚石，得到金刚石涂层。
[0008]进一步地，采用3种所述纳米尺度金刚石颗粒的悬浮液，其中纳米金刚石颗粒的粒度从大到小依次为W0.25、W0.08和W0.03，相应地，植晶次数为3次。
[0009]进一步地，所述纳米尺度金刚石颗粒的悬浮液中包括纳米尺度金刚石颗粒、丙酮和表面活性剂；其中，所述尺度金刚石颗粒的质量浓度为3g/100ml
‑
6g/100ml,所述表面活性剂的质量浓度为0.02％
‑
0.1％。
[0010]进一步地，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，用于对各所述纳米尺度金刚石颗粒进行润湿和分散。
[0011]进一步地，所述植晶的过程为：将预处理后的硬质合金基体置于所述纳米尺度金刚石颗粒悬浮液中进行超声分散，超声时间为30min
‑
60min；植晶后，用乙醇、丙酮依次清洗
以去除残留的纳米尺度金刚石颗粒。
[0012]进一步地，所述预处理包括：清洗硬质合金基体，用酸碱两步法对硬质合金基体进行脱Co处理，用磁控溅射法在硬质合金基体表面沉积Ti过渡层。
[0013]进一步地，所述清洗硬质合金基体包括以下至少一种：乙醇超声清洗15分钟、去离子水清洗5分钟、丙酮清洗15分钟、去离子水清洗5分钟、去离子水清洗15分钟；清洗后，置于乙醇中备用。
[0014]进一步地，所述酸碱两步法脱Co处理包括：先用碱溶液处理30分钟，再用酸溶液处理2
‑
6分钟；所述碱溶液为Murakami试剂，其中各组分的质量比为K3Fe(CN)6:KOH:H2O＝1:1:10；所述酸溶液为混合酸，其中各组分的体积比为H2SO4∶H2O2＝3:7。
[0015]进一步地，所述Ti过渡层的制备参数为：背景真空度1～3
×
10
‑
6torr，功率70W，室温溅射，溅射气压8～9mtorr，溅射时间4小时；Ti层厚度400～500nm。
[0016]进一步地，所述微波化学气相沉积法的工艺参数为：沉积温度700～800℃，沉积气压3～5kPa，反应气体为氢气和甲烷，其中甲烷浓度浓度5～15％，形核时间0.5小时，沉积时间4小时，所得金刚石涂层厚度为3～4μm。
[0017]第二方面，本专利技术提供一种金刚石涂层，采用如第一方面任一技术方案所述的金刚石涂层的制备方法制得。
[0018]第三方面，本专利技术提供一种具有金刚石涂层的硬质合金复合材料刀具，包括硬质合金基体，所述硬质合金基体的表面沉积有如第二方面任一技术方案所述的金刚石涂层。
[0019]本专利技术与现有技术相比，有益效果是：
[0020]金刚石涂层的制备方法通过多尺度晶种按照从大到小依次在预处理基体表面进行，并结合表面活性剂对悬浮液中金刚石纳米颗粒和基体表面的润湿和分散作用，使基体表面形成多尺度、高密度的金刚石颗粒形核，从而生长后的金刚石涂层表面光滑，粗糙度低，并兼有高硬度和耐磨的优良特性，并可以根据金刚石纳米颗粒的尺寸设计表面形核密度和尺寸，方法推广性强。沉积该涂层的硬质合金刀具工作寿命长，性能良好。
附图说明
[0021]图1是本专利技术方法一个实施例所得的多尺度晶种表面植晶效果示意图；
[0022]图2是本专利技术方法一个实施例所得的金刚石涂层的表面照片，其中图2(a)为表面3D图像，图2(b
‑
d)为表面SEM照片；
[0023]图3是本专利技术刀具一个实施例的硬质合金刀具在5N载荷下测试金刚石涂层的摩擦系数图；
[0024]图4是本专利技术的四个对比例在5N载荷下测试金刚石涂层的摩擦系数图，对比例1对应于图4(a),对比例2对应于图4(b),对比例3对应于图4(c),对比例4对应于图4(d)。
具体实施方式
[0025]以下结合具体实施例对本专利技术的技术方案作进一步详细描述，但是本领域相关研究人员将会理解，所列举实施例仅仅用于解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。
[0026]本专利技术的金刚石涂层的制备方法，包括如下内容：使用多种尺度金刚石微粉悬浮液按照纳米金刚石粒度从大到小顺序依次在预处理后的基体表面进行植晶，且植晶用金刚
石悬浮液中分散有表面活性剂。然后通过微波化学气相沉积法生长金刚石，得到金刚石涂层和覆盖有金刚石涂层的硬质合金刀具。
[0027]具体的，本专利技术的技术方案包括以下步骤：
[0028](1)硬质合金基体预处理；
[0029](2)预处理硬质合金表面按照金刚石颗粒尺寸从大大小依次进行多尺度晶种植晶，植晶用金刚石悬浮液中分散有表面活性剂；如图1所示为多尺度晶种植晶表示图，典型的制晶方案为，先以所选取颗粒尺寸最大的金刚石颗粒悬浮液进行植晶，在表面分散剂和超声的共同作用下形成如图1中a尺寸的晶核，该次植晶结束后以丙酮、乙醇清洗；再以b尺寸的金刚石颗粒悬浮液进行植晶，完成后清洗；依次完成a、b、c等多种尺度的表面形核，形核紧密，分布密度高。
[0030]对制晶过程的金刚石颗粒尺寸和种类数不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金刚石涂层的制备方法，其特征在于，配置多种纳米尺度金刚石颗粒的悬浮液，按照纳米金刚石颗粒的粒度从大到小顺序，将该多种悬浮液依次用于在预处理后的硬质合金基体表面进行植晶，然后通过微波化学气相沉积法生长金刚石，得到金刚石涂层。2.根据权利要求1所述的金刚石涂层的制备方法，其特征在于，采用3种所述纳米尺度金刚石颗粒的悬浮液，其中纳米金刚石颗粒的粒度从大到小依次为W0.25、W0.08和W0.03，相应地，植晶次数为3次。3.根据权利要求2所述的金刚石涂层的制备方法，其特征在于，所述纳米尺度金刚石颗粒的悬浮液中包括纳米尺度金刚石颗粒、丙酮和表面活性剂；其中，所述尺度金刚石颗粒的质量浓度为3g/100ml
‑
6g/100ml,所述表面活性剂的质量浓度为0.02％
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0.1％。4.根据权利要求3所述的金刚石涂层的制备方法，其特征在于，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵，用于对各所述纳米尺度金刚石颗粒进行润湿和分散。5.根据权利要求1所述的金刚石涂层的制备方法，其特征在于，所述植晶的过程为：将预处理后的硬质合金基体置于所述纳米尺度金刚石颗粒悬浮液中进行超声分散，超声时间为30min
‑
60min；植晶后，用乙醇、丙酮依次清洗以去除残留的纳米尺度金刚石颗粒。6.根据权利要求1所述的金刚石涂层的制备方法，其特征在于，所述预处理包括：清洗硬质合金基体，用酸碱两步法对硬质合金基体进行脱Co处理，用磁控溅射法在硬质合金基体表面沉积Ti过渡层。7.根据权利要求6所述的金刚石涂层的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶嗣林，王天乐，黄国波，
申请(专利权)人：浙江劳伦斯机床有限公司，
类型：发明
国别省市：