[發(fā)明專利]一種復(fù)合金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具及制備方法

有效

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• 申請日: 2019-03-19
• 公開（公告）號: CN109930129B
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏秋平;馬莉;周科朝;余志明
• 申請（專利權(quán)）人: 中南大學(xué)
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/26;C23C16/511;C23C16/503
• 代理公司: 43114 長沙市融智專利事務(wù)所(普通合伙)
• 代理人: 顏勇

一種復(fù)合金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具及制備方法，所述硬質(zhì)合金刀具表層設(shè)有交替布置的摻硼或非摻硼的微米晶金剛石和納米晶金剛石構(gòu)成的復(fù)合涂層，復(fù)合金剛石涂層表面沉積一層類金剛石涂層DLC。制備方法，包括除油脫脂、化學(xué)微刻蝕，等離子活化及等離子增強(qiáng)氣態(tài)硼化，等離子清洗，金剛石泥漿超聲研磨、種植納米、微米金剛石籽晶，氣相沉積金剛石復(fù)合涂層步驟。本專利通過在沉積金剛石過程中摻硼使硼原子進(jìn)入金剛石晶格中，調(diào)節(jié)金剛石涂層的內(nèi)應(yīng)力，避免了應(yīng)力突變區(qū)的產(chǎn)生，達(dá)到從根上避免每層應(yīng)力不匹配情況的出現(xiàn)，有效改善復(fù)合涂層內(nèi)部的應(yīng)力分布，進(jìn)一步提高微納米復(fù)合涂層的完整性，提高膜基結(jié)合力和復(fù)合涂層綜合力學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明公開了一種復(fù)合金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具及制備方法，屬于硬質(zhì)合金表面處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，輕質(zhì)高強(qiáng)材料逐漸成為主流，有色金屬及合金、玻璃纖維增強(qiáng)塑料、石墨以及陶瓷等新材料在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。對這些新型材料的機(jī)械加工也提出了越來越高的要求，普通的高速鋼和硬質(zhì)合金刀具已經(jīng)難以勝任。金剛石涂層因其具有高硬度、高導(dǎo)熱系數(shù)、低摩擦系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)等而成為上述難加工材料切削加工的理想刀具涂覆材料，它的研發(fā)應(yīng)用受到世界各國的廣泛關(guān)注。

表面粗糙度對刀具的切削性能具有很大影響，粗糙度越大，刀具表面平整度下降，加工質(zhì)量也因此下降。而CVD常規(guī)沉積的金剛石為微米金剛石，粗糙度較高，造成被加工材料很難達(dá)到高光潔度、高精度的要求，因此為了更好的應(yīng)用，微米金剛石涂層刀具在后續(xù)往往要經(jīng)過拋光處理。由于金剛石的高硬度，其拋光難度較高，且工藝復(fù)雜，因此，開發(fā)晶粒更小、粗糙度更低的納米晶涂層、甚至超納米晶涂層成為研究者新的目標(biāo)。然而，由于納米金剛石中sp2含量更高（或者說是石墨相含量較高），其附著力往往不如微米金剛石涂層，因此，為了獲得粗糙度較低、結(jié)合力較高的金剛石涂層薄膜，微米/納米復(fù)合涂層成為了當(dāng)前金剛石涂層刀具的另一個(gè)發(fā)展趨勢。

對金剛石薄膜與基體結(jié)合力的一個(gè)重要影響因素就是薄膜中存在的殘余應(yīng)力，當(dāng)殘余應(yīng)力較大時(shí)，膜-基結(jié)合力就會(huì)下降。另外，由于微米晶金剛石應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，納米晶應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，兩者之間本身就具有的應(yīng)力差會(huì)影響到薄膜的結(jié)合力和力學(xué)性能；復(fù)合薄膜由于是多層薄膜組成，其每層間的殘余應(yīng)力都會(huì)影響復(fù)合薄膜的最終性能，比如當(dāng)相鄰兩層之間殘余應(yīng)力差距巨大時(shí)，該兩層中間的過渡層就成為了應(yīng)力突變區(qū)域，該處容易發(fā)生斷裂，從而降低了復(fù)合涂層的結(jié)合力。

現(xiàn)有技術(shù)沉積的微米納米復(fù)合薄膜，只考慮到利用微米作為底層提高結(jié)合力，納米作為頂層作為使用層提高切削性能，對其中應(yīng)力問題考慮較少，最多也就考慮到在沉積過程中緩慢改變沉積參數(shù)形成一個(gè)應(yīng)力慢慢變化的緩沖區(qū)來避免應(yīng)力突變。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種復(fù)合金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具及制備方法；采用本發(fā)明的復(fù)合金剛石涂層結(jié)構(gòu)，可以涂層內(nèi)應(yīng)力低，膜基結(jié)合力好，綜合力學(xué)性能優(yōu)異。

本發(fā)明一種復(fù)合金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具，所述硬質(zhì)合金刀具表層設(shè)有交替布置的摻硼或非摻硼的微米晶金剛石和納米晶金剛石構(gòu)成的復(fù)合涂層；

在硬質(zhì)合金刀具表面先沉積一層微米晶金剛石后再沉積復(fù)合涂層；

所述復(fù)合涂層是由化學(xué)氣相沉積的納米晶金剛石和微米晶金剛石交替組合而成的多層復(fù)合涂層，復(fù)合涂層最表層及最里層均為納米晶金剛石涂層。化學(xué)氣相沉積選自熱絲化學(xué)氣相沉積，微波等離子體化學(xué)氣相沉積、直流電弧等離子體噴射CVD、直流熱陰極等離子體CVD中的一種。

所述復(fù)合涂層中，部分納米晶金剛石層為摻硼金剛石或全部納米晶金剛石層均為摻硼金剛石；部分微米晶金剛石層為摻硼金剛石或全部微米晶金剛石層均為摻硼金剛石；

所述復(fù)合涂層包括以下幾種結(jié)構(gòu)組成：

由全部摻硼的納米金剛石層與全部摻硼的微米金剛石層交替疊置構(gòu)成；或