[發明專利]一種具有二硼化鈦?金剛石復合涂層的工件及其制備方法

在審

• 申請號: 201611194326.8
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106835133A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 唐永炳;王陶;張松全;蔣春磊;陳光海
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: C23C28/04
• 分類號: C23C28/04;C23C14/06;C23C16/27
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司44202
• 代理人: 郝傳鑫,熊永強

技術領域

本發明涉及金剛石涂層制備技術領域，特別是涉及一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件及其制備方法。

背景技術

金剛石涂層硬質合金刀具由于具有優異的性能而受到人們的廣泛關注，但由于金剛石涂層與硬質合金刀具之間的粘合力不足，從而極大阻礙了該刀具的應用，成為工業發展中的主要瓶頸。而導致金剛石薄膜在切削刀具上的粘附性不足的主要原因有：(1)硬質合金基體中的粘結劑Co抑制金剛石生長，而有利于粘附性差的石墨沉積；(2)在金剛石薄膜與基體的界面上，金剛石晶粒與基體之間存在微小孔隙，這些微小孔隙的存在，減少了金剛石薄膜與基體的接觸面積，削弱了薄膜與基體間的結合力；(3)金剛石膜與基體材料之間熱膨脹系數相差很大，并且兩者之間存在較強的殘余熱應力，特別是硬質合金刀具較為尖銳的刀刃部位，造成薄膜與基體分層。

目前，為提高金剛石涂層與硬質合金基體粘附性主要有兩條途徑：一是采用表面脫Co處理；二是在金剛石涂層與硬質合金之間沉積合適的中間層，以阻止基體中的鈷向表面擴散。表面脫Co處理法雖然在一定程度上能夠改善金剛石涂層與基體粘著性，但基體中Co的缺失會大大降低基體本身的硬度、強度、彈性模量等性能，因而，硬質合金表面所沉積生成的金剛石薄膜也無法滿足實際的需求。而現有設置中間層的方法大都制備過程復雜，且金剛石涂層與硬質合金刀具之間的粘附力提高有限。

發明內容

鑒于此，本發明第一方面提供了一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件，通過在金剛石涂層與工件基體之間設置二硼化鈦涂層，解決了金剛石涂層與基體結合力不足，金剛石薄膜形核密度低和沉積速度慢的問題。

第一方面，本發明提供了一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件，包括工件基體，以及依次設置于所述工件基體表面的二硼化鈦涂層和金剛石涂層。

本發明通過在工件基體表面與金剛石涂層之間設置二硼化鈦層，二硼化鈦作為中間層，填充了基體表面組織結構不連續區域；同時能夠提高后續金剛石薄膜的生長速度以及沉積過程中的形核密度，極大促進金剛石薄膜的生長。此外，采用二硼化鈦作為中間層，能夠有效提高金剛石涂層與刀具基體之間的結合力，即使在刀具刀刃部分也能得到結合強度高、均勻致密的金剛石薄膜。

可選地，所述二硼化鈦涂層的厚度為20-500nm，所述二硼化鈦涂層的晶粒為超細納米晶，晶粒尺寸為20-50nm。進一步可選地，所述二硼化鈦涂層的厚度為80-200nm。適合的二硼化鈦涂層厚度能夠完美的阻擋住鈷向基體表面擴散，而且不會引起由于中間層過厚使金剛石與基體之間的結合強度的減弱。

所述金剛石涂層的厚度為2-8μm，進一步地厚度為4-6μm，所述金剛石涂層的晶粒為納米級別(即100nm以內)或微米級別(即1-5微米)，具體可以是10-80nm、1-4微米。當涂層中金剛石晶粒為納米級別時，涂層中石墨相增加，涂層的斷裂韌性更高；當涂層中金剛石晶粒為微米級別時，涂層硬度、強度會更高。不同結構性能可以滿足人們對工件的不同需求。

所述工件基體的材質可以是硬質合金、不銹鋼、氮化硅或碳化硅。工件基體可以是刀具或其他工具(如模具)、機械零部件等。

所述二硼化鈦涂層采用物理氣相沉積(PVD)方式制備得到，所述金剛石涂層采用熱絲氣相沉積的方式制備得到。PVD所生長的二硼化鈦涂層能夠有效阻擋基體向表面擴散的金屬鈷，消除金屬鈷對石墨的催化作用，從而有利于獲得結合力良好、金剛石純度高、晶型好的金剛石涂層。

本發明第一方面提供的具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件，通過在金剛石涂層與工件基體之間設置二硼化鈦涂層，提高了金剛石涂層與工件基體之間的結合力，解決了金剛石涂層與基體結合力不足，金剛石薄膜形核密度低和沉積速度慢的問題。

第二方面，本發明提供了一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件的制備方法，包括以下步驟：

提供工件基體，對所述工件基體進行前處理；所述前處理包括對所述工件基體進行噴砂處理，然后分別采用丙酮和乙醇超聲清洗；或對所述工件基體進行化學刻蝕處理；

采用物理氣相沉積的方式在所述工件基體上制備二硼化鈦涂層，再采用熱絲氣相沉積的方式在所述二硼化鈦涂層上制備金剛石涂層，得到具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件。

所述化學刻蝕處理包括進行8-15分鐘的堿洗以及5-15秒的酸洗處理。