[發明專利]一種金剛石/W-C梯度結構復合涂層及其制備方法

無效

• 申請號: 200910042740.0
• 申請日: 2009-02-27
• 公開（公告）號: CN101487121A
• 公開（公告）日: 2009-07-22
• 發明（設計）人: 魏秋平;余志明;陳永勤;尹登峰
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C23C28/00
• 分類號: C23C28/00;C23C16/27;C23C14/34;C23C14/16
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所
• 代理人: 顏 勇

技術領域

本發明屬于金剛石涂層工具制造領域，涉及一種金剛石/W-C梯度結構復合涂層以及在硬質合金工具上制備金剛石/W-C梯度結構復合涂層的方法。

背景技術

目前，切削工具、滑動軸承、拉拔模和各種耐磨元件的材質均為硬質合金。為了延長這些工具的使用壽命，通常在表面制備一層超硬涂層來增加它們的耐磨性能。金剛石集高硬度、高耐磨性、高熱導、低摩擦系數、低熱膨脹系數和良好的化學穩定性等優異性能于一身。在硬質合金工具表面制備一層具有良好界面結合和低表面粗糙度的金剛石膜后，不僅其使用壽命可提高幾倍甚至幾十倍，而且有利于提高精細加工和干切削質量，從而避免環境污染和資源浪費。

金剛石薄膜表面光潔度和膜/基結合強度是決定金剛石涂層硬質合金工具使用壽命和加工質量的關鍵因素。然而，這兩個關鍵因素所對應的問題卻一直沒有得到同時解決。Soderberg蘇德伯格等研究者認為，結合強度低的主要原因可以歸納為三個方面：(1)金剛石涂層形核密度低，導致基體和薄膜之間的界面上存在大量孔隙；(2)硬質合金中作為粘結劑的鈷具有促進石墨化的作用，造成膜/基界面處石墨層的形成；(3)金剛石與硬質合金線膨脹、彈性模量、化學及原子結構等存在很大的差異，使得涂層內存在較大的殘余應力。其中粘結相鈷的負面影響尤其不容忽視。

眾所周知，提高金剛石薄膜與硬質合金基體結合強度主要是通過改變膜-基界面狀態來實現，如增加膜-基接觸面積、阻止石墨相的生成和降低界面應力等。目前改善膜-基界面狀態的主要技術途徑有(1)基體表面預處理：化學脫鈷處理、施加過渡層、形成Co的穩定化合物(如：滲硼處理)；(2)增強金剛石形核率：缺陷增強、種植籽晶、偏壓形核。化學法脫鈷處理對含Co量較低的硬質合金能有效地提高膜/基結合強度，但是，隨著Co含量的增加，Co對金剛石形核抑制作用逐漸增強，要有效地去除基體表面的粘結相Co就必須延長腐蝕時間和增大腐蝕液濃度，這必然導致腐蝕層厚度的增加，使基體產生一層疏松的貧鈷層，不僅大大降低了基體表面的強度，而且在基體表面產生大量的深坑，在金剛石薄膜沉積過程中這些深坑無法填充，仍然遺留在膜/基界面處。這些孔洞將直接影響薄膜表面光潔度和涂層工具的力學性能，在涂層工具的使用過程不僅會劃傷加工件表面，而且容易成為裂紋源，導致工具的破壞。滲硼處理能使基體表面的Co與B結合形成穩定的化合物，有效地抑制Co的負面影響，提高膜/基結合強度。但是，固、液態滲硼處理均存在基體處理后表面難清理的問題，對于平板基體可以通過打磨、拋光處理，但是對復雜形狀基體難以找到合適的清理方法。

施加過渡層不僅需要考慮基體、過渡層、金剛石薄膜三者之間的匹配情況和結合強度，而且需要考慮過渡層是否利于金剛石形核。如采用Ti、Mo、Cu、TiN、TiC等異質過渡層，則多引入了一個界面，由于熱膨脹系數的差異，當過渡層過厚時，在金剛石薄膜高溫沉積過程中易產生巨大的熱應力，導致涂層開裂。當過渡層過薄時，在金剛石薄膜高溫沉積過程中粘結相Co容易遷移到基體表面抑制金剛石薄膜的生長。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有金剛石涂層硬質合金工具具有的缺陷，提供一種金剛石/W-C梯度結構復合涂層及其制備方法，既解決膜/基結合強度的問題，又保證金剛石薄膜表面光潔度。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：

一種金剛石/W-C梯度結構復合涂層，其特征在于：包括W-C梯度結構的過渡層和金剛石耐磨層，所述過渡層由W-C層和WC-Co層組成，所述的耐磨層為金剛石薄膜；所述的W-C層為W∶C依次遞增的多層W-C相，其中W∶C原子比≥1∶1。

所述過渡層的厚度為0.5～15μm，所述耐磨層的厚度為1～100μm；所述的W-C層依次包括如下4層：WC、WC_1-x、W₂C和W₃C等；其中x的取值范圍為0.34～0.43。

一種金剛石/W-C梯度結構復合涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)對硬質合金試樣進行拋光，使得合金表面粗糙度小于50nm；

2)將拋光后樣品浸泡在Murakami密勒克明試劑靜置腐蝕或通過超聲波震蕩腐蝕硬質合金試樣表面的WC相；(浸蝕時間根據表面光潔度要求設定：1～60分鐘)；

3)腐蝕處理后的試樣上，采用反應濺射方法制備0.5～15μm厚的含C量呈梯度變化的W-C化合物梯度過渡層(簡稱為：W-C層)；