一種在硬質合金表面制備梯度硬質復合涂層的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于涂層制備技術領域，具體是一種在硬質合金表面制備梯度硬質復合涂層的方法。
【背景技術】
[0002]隨著現代工業及制造技術的發展，機械加工業朝著高精度、高速切削、干切削、低成本等方向發展，人們對硬質合金刀具提出了越來越高的要求。為了更好地提高刀具的切削性能，滿足各種服役要求，人們采用各種涂層技術在硬質合金表面涂覆一層或多層高硬度、高耐磨損性能的材料。在刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜組成的涂層刀具，能夠綜合硬質合金的高強度和涂層的高硬度，將涂層作為化學屏障和熱屏障，也能夠減少硬質合金刀具的月牙洼磨損，可以顯著地提高加工效率、提高加工精度、延長刀具使用壽命和降低加工成本。
[0003]在眾多硬質合金涂層刀具中，金剛石涂層硬質合金刀具兼備了金剛石的高硬度、高熱導率、低摩擦系數和硬質合金的高韌性、高強度等特點，在有色金屬及其合金、各種顆粒或纖維增強復合材料、高技術陶瓷等材料的加工領域有著廣闊的應用前景。但是由于硬質合金(WC-Co)中的金屬粘結劑Co在CVD金剛石過程中抑制金剛石相的形核、催化石墨相的生成，，導致涂層與基體結合強度較差，這也成為限制這種工具發展和應用的主要因素。針對這一問題，人們通常采用的措施有:
表面脫Co處理法:采用酸或堿溶液腐蝕、氫等離子體或含氧的氫等離子體刻蝕、準分子激光照射、惰性氣體熱處理等方法，去除WC-Co基體表層的Co。這種方法在一定程度上能夠達到改善金剛石涂層與基體結合性能的目的，但是Co粘結劑被去除后易造成基體表層的組織疏松，使得涂層工具斷裂強度大幅度下降，特別是在處理尺寸較小的工具時尤為明顯。
[0004]施加過渡層法:在金剛石涂層和基體之間施加過渡層，阻擋Co擴散，抑制其對金剛石沉積的負面作用。這種方法一般不會對基體表層造成損害，也不會影響涂層工具斷裂強度等機械性能，是目前被公認為能夠有效改善結合強度的方法。為保證涂層和基體之間的結合強度，要求施加的過渡層不但具有較高硬度，而且具有較低的熱膨脹系數，以滿足與硬質合金和金剛石均有較高的熱力學性能和機械性能匹配。IV、V、VI族難熔金屬形成的間隙型碳化物由于具有較高的硬度和彈性模量，多被通過磁控濺射等物理氣相沉積(PVD)法將其制備在硬質合金表面作為過渡層使用。這些難熔金屬碳化物的熱膨脹系數雖然與硬質合金的相近，但是與金剛石的差別卻比較大。同時，使用PVD法制備的過渡層大多是物理附著在硬質合金基體上，呈機械結合，所以過渡層與基體及金剛石涂層間的應力大、結合強度較低。CVD法制備的碳化硅涂層的熱膨脹系數介于硬質合金與金剛石之間，是人們研究較多的作為過渡層使用的非金屬共價鍵碳化物。但是，直接在硬質合金基體上獲得致密、連續的碳化硅難度較高。這是由于沉積溫度較低時制備的碳化硅，一般為疏松且硬度較低的非晶態。而溫度較高時，由于硬質合金中Co的催化作用，容易形成分散的碳化硅晶須。此外，在過渡層制備結束后，為了保證金剛石涂層具有較高的形核密度和沉積速率，一般需要再對包含過渡層的硬質合金基體表面進行預處理。這使得加工時間和制備流程變長，工藝變得復雜，因此不利于大規模工業化生產的需求。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了克服現有技術的不足，而提供一種在硬質合金表面制備梯度硬質復合涂層的方法。本發明方法制備的梯度硬質復合涂層與基體不僅成分呈梯度變化，無新界面的增加，且熱膨脹系數也呈梯度變化，能夠有效避免因為熱膨脹系數差異引起的熱應力問題。此外，整個涂層制備是在同一臺等離子表面合金化設備中連續沉積完成，工藝流程和時間成本大大降低，有利于實現大規模工業化生產。
[0006]本發明是通過如下技術方案實現的:
一種在硬質合金表面制備梯度硬質復合涂層的方法，包括如下步驟:1)制備難熔金屬及其碳化物復合滲層:使用雙層輝光等離子體表面合金化設備，以氬氣作為等離子體激發氣體，使用難熔金屬絲和石墨板制作的復合靶材作為源極，在硬質合金表面制備難熔金屬及其碳化物復合滲層；2)制備包含難熔金屬碳化物和碳化硅的梯度復合涂層:通入四甲基硅烷和氫氣的混合氣體，通過不斷增加四甲基硅烷的流量，制備包含難熔金屬碳化物和碳化硅的梯度復合涂層；3)制備碳化硅、金剛石梯度硬質復合涂層:通入甲烷，逐漸增加甲烷流量并同時降低四甲基硅烷的流量，制備碳化硅、金剛石梯度硬質復合涂層。
[0007]其中，所述的難熔金屬及其碳化物復合滲層的具體制備方法如下:硬質合金工件用去離子水和酒精分別進行超聲清洗，用熱風吹干，將清洗后的硬質合金工件置于雙層輝光等離子體表面合金化設備的基片臺上，使用難熔金屬絲和石墨板制作的復合靶材作為源極，控制硬質合金工件上表面與靶材之間的距離為18-20mm，待雙層輝光等離子體表面合金化設備抽真空至IPa以下時，通入氬氣作為保護氣體和等離子體激發氣體，其流量為60-80sccm，設備內壓強35_65Pa，打開源極電源和工件極電源，控制壓差為200-300V，將硬質合金工件的溫度升至700-1000°C，處理時間10-30 min，在硬質合金工件表層上形成深度為l-3Pm的難熔金屬及其碳化物復合滲層；
所述的難熔金屬碳化物和碳化硅的梯度復合涂層的具體制備方法如下:當難熔金屬及其碳化物復合滲層制備結束后，向雙層輝光等離子體表面合金化設備內通入四甲基硅烷和氫氣，控制總流量為5~20sCCm，四甲基硅烷占氫氣的體積百分比為10~20%，硬質合金工件的溫度為800-1100°C，制備時間為10min-lh，制備過程中逐漸增加四甲基硅烷的流量，使涂層中碳化硅的含量逐漸增加，通過調節氬氣的流量，將設備內壓力控制在35-65Pa，在難熔金屬及其碳化物復合滲層表面制備厚度為2-8μπι的難熔金屬碳化物和碳化硅的梯度復合涂層；
所述的碳化硅、金剛石梯度硬質復合涂層的具體制備方法如下:當難熔金屬碳化物和碳化硅的梯度復合涂層制備結束后，向雙層輝光等離子體表面合金化設備內通入甲烷，控制甲烷流量為1-5 sccm，硬質合金工件溫度為800-1000 °C，沉積時間為5_10h，制備過程中逐漸增加甲烷的流量，同時降低四甲基硅烷的流量，最后甲烷占氫氣的體積百分比為2%-4%，四甲基硅烷流量為0，使涂層中金剛石的含量逐漸增加，碳化硅的含量逐漸降低，最終涂層表層僅為金剛石涂層。
[0008]上述技術內容中，所述的難恪金屬和金屬碳化物元素為T1、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W 等。
[0009]本發明的有益效果如下:
1)本發明通過采用雙輝等離子表面合金化技術在硬質合金表面制備了梯度復合硬質涂層。涂層整體的成分和熱膨脹系數、硬度均為梯度分布，無新界面的產生和成分突變的界面，如圖1所示，因此具有優異的膜基結合強度。制備的涂層包括三個部分，內部難熔金屬及其碳化物復合滲層，中間難熔金屬碳化物和碳化硅復合涂層和外部碳化硅、金剛石梯度復合涂層。其中，內部滲層充分利用碳化物的高硬度和金屬的高韌性，同時也能夠有效阻擋粘結相鈷的向外擴散；中間涂層通過在涂層中添加碳化硅，降低涂層的熱膨脹系數；外部涂層中金剛石成分梯度增加使涂層硬度不斷提高，熱膨脹系數不斷降低。
[0010]2)本發明采用同一臺雙輝等離子表面合金化裝置，實現了難熔金屬及其碳化物復合滲層、難熔金屬碳化物和碳化硅復合涂層和碳化硅、金剛石復合涂層的連續性生長，整個工藝流程時間大大縮短，且成本大幅降低，非常適用于金剛石涂層工具的大規模工業化生產。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明方法處理后的硬質合金工件的截面示意圖。
[0012]圖中:1_硬質合金、1-1-硬質合金顆粒、1-2-鈷粘結劑、2-難熔金屬及其碳化物復合滲層、3-難熔金屬碳化物和碳化硅的梯度復合涂層、4-碳化硅、金剛石梯度硬質復合涂層。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明，以下實施例有利于本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。
[0014]—種在硬質合金表面制備梯度硬質復合涂層的方法，包括如下步驟:1)制備難熔金屬及其碳化物復合滲層2:使用雙層輝光等離子體表面合金化設備，以氬氣作為等離子體激發氣體，使用難熔金屬絲和石墨板制作的復合靶材作為源極，在硬質合金1表面制備難熔金屬及其碳化物復合滲層，所述硬質合金1由硬質合金顆粒1-1和鈷粘結劑1-2組成；
2)制備難熔金屬碳化物和碳化硅的梯度復合涂層3:通入四甲基硅烷和氫氣的混合氣體，通過不斷增加四甲基硅烷的流量，制備難熔金屬碳化物和碳化硅的梯度復合涂層3 ;3)制備碳化硅、金剛石梯度硬質復合涂層4:通入甲烷，逐漸增加甲烷流量并同時降低四甲基硅烷的流量，制備碳化硅、金剛石梯度硬質復合涂層4。
[0015]實施例1 難熔金屬鈦Ti
本發明在硬質合金表面制備梯度硬質復合涂層的方法，具體包括如下步驟:
1)在硬質合金表面制備Ti和TiC復合滲層:硬質合金工件用去離子水和酒精分別進行超聲清洗，用熱風吹干，將清洗后的硬質合金工件置于雙層輝光等離子體表面合金化設備的基片臺上，使用Ti絲和石墨板制作的復合革E材作為源極，控制