多層金剛石涂層及其制備方法、涂層工具的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于真空鍍膜技術領域，具體的說是涉及一種多層金剛石涂層及其制備方法、涂層工具。
【背景技術】
[0002]金剛石具有高硬度(HV=100Gpa)、導熱性好、低摩擦、超耐磨、結構穩定等特性，在力學、熱學、電子學等領域具有廣泛的應用前景。目前，金剛石涂層多采用熱絲化學沉積(HFCVD)法制備，工藝技術較為成熟、生產成本低，適用于工業生產。但是，由于金剛石強的共價鍵特征以及HFCVD的成涂層工藝特點，使得金剛石涂層存在涂層應力高、韌性差的缺點，降低了金剛石涂層的使用性能。
[0003]隨著金剛石涂層研究的不斷深入，目前有多層金剛石涂層的報道，但是已報道的多層金剛石涂層多是亞微米金剛石涂層或納米金剛石涂層與超細納米金剛石涂層中的兩種涂層作為多層結構。具體的如中國專利CN1563479A中采用電子束輔助熱絲化學氣相沉積法，制備一種由納米尺寸的金剛石薄膜(NCD)和亞微米尺寸金剛石薄膜(MCD)交替沉積的多層結構涂層。其中每層NCD厚度為0.01-0.08微米，MCD厚度為0.1-0.3微米。
[0004]再如中國專利CN103436855A中采用熱絲化學氣相沉積法制備一種微型銑刀金剛石復合涂層，其通過控制沉積過程中氣相沉積條件，使得亞微晶生長期和超細納米晶循環發生，從而形成金剛石亞微晶和超細納米晶復合涂層。
[0005]上述現有多層金剛石涂層中，納米金剛石涂層和超細納米金剛石涂層，晶粒尺寸達到納米量級使得表面粗糙度大為降低，展現出更好的減摩、耐磨特性。尤其是，超細納米金剛石涂層晶粒尺寸在幾個納米至幾十個納米之間，使用其作為工具的外層，可以大大降低工具表面粗糙度，減小摩擦系數，提高刀具耐磨性。同時，上述現有多層金剛石涂層由于層界面的增加使得涂層單層厚度降低，可以減小涂層的彎曲應力;此外，層界面對裂紋具有偏轉和鈍化作用，可以有效提高涂層的整體韌性。如中國專利CN103436855A保持了刃口的鋒利，明顯改善加工效果，延長刀具使用壽命，減少換刀頻率，提高加工效率，降低加工成本。
[0006]但是，隨著研究和應用的進一步深入，發現隨著金剛石晶粒尺寸的減小，涂層中的非金剛石相逐漸增多，硬度下降。而且現有多層金剛石涂層主要是在亞微米金剛石涂層表面在鍍上一層納米金剛石涂層或者超細納米金剛石涂層的雙層周期性多層復合涂層，這種制備方法以亞微米金剛石涂層為支持層，支持層中存在非金剛石相，硬度及其耐磨性能較微米金剛石層有一定程度的降低。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種多層金剛石涂層及其制備方法，以解決現有多層金剛石涂層硬度不高的技術問題。
[0008]本發明的另一目的在于提供一種涂層工具，以解決表面涂有現有多層金剛石涂層工具由于現有多層金剛石涂層存在的硬度不高而導致工具耐磨性不高和使用壽命短的技術問題。
[0009]為了實現上述發明目的，作為本發明的一方面，提供了一種多層金剛石涂層。所述金剛石涂層包括至少一復合金剛石涂層結構單元，所述復合金剛石涂層結構單元包括微米晶金剛石涂層和依次生長在所述微米晶金剛石涂層表面的納米晶金剛石涂層和超細納米晶金剛石涂層。
[0010]作為本發明的另一方面，提供了一種多層金剛石涂層的制備方法，其包括如下制備步驟:
[0011]將用于在其表面生成金剛石的基底進行表面預處理后置于金剛石懸浮液中進行表面接種處理，取出后進行干燥處理；
[0012]將經干燥處理后的所述基底置于真空沉積腔體內，采用熱絲化學氣相沉積法在所述基底表面至少一次的進行依次沉積生長微米晶金剛石涂層、納米晶金剛石涂層和超細納米晶金剛石涂層的步驟。
[0013]作為本發明的又一方面，提供了一種涂層工具。所述涂層工具包括工具本體，在所述工具本體的表面上還結合有本發明多層金剛石涂層，且位于所述多層金剛石涂層端面的所述微米晶金剛石涂層與所述工具本體表面結合。
[0014]與現有技術相比，本發明多層金剛石涂層以微米晶金剛石層為支持層，并結合納米晶金剛石層與超細納米晶金剛石層的三層或以該三層為周期性生長的多層復合涂層結構設計，有效提高了本發明多層金剛石涂層的硬度和耐磨性，降低表面粗超度、摩擦系數和涂層應力，并提高涂層韌性。
[0015]本發明多層金剛石涂層的制備方法采用熱絲化學氣相沉積法，以微米晶金剛石層作為支撐層，再生長納米晶金剛石層和超細納米晶金剛石層的三層或者該三層周期性生長，不僅有效利用了微米涂層的高硬度的特性，同時也有效利用了納米涂層和超細納米涂層的低粗糙度和摩擦系數等特性。本發明方法還使得各層間的致密性好，抗耐磨性得到提高，表面更為光滑，涂層內應力減小。
[0016]本發明涂層工具由于在其表面結合有本發明多層金剛石涂層，因此，本發明合金工具抗硬度高，刀具表面更為光滑，摩擦力小，耐磨性高，使用壽命長，且多層金剛石涂層與工具本體結合牢固，更有利于精密加工，降低加工成本，提高生產效率。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明實施例多層金剛石涂層的一種結構示意圖；
[0018]圖2為本發明實施例多層金剛石涂層的另一種結構示意圖；
[0019]圖3為本發明實施例多層金剛石涂層制備方法的流程示意圖。
【具體實施方式】
[0020]為了使本發明要解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合實施例與附圖，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0021]一方面，本發明實施例提供了一種具有高硬度和耐磨性的多層金剛石涂層。本發明實施例多層金剛石涂層結構如圖1和圖2所示，其包括至少一復合金剛石涂層結構單元，所述復合金剛石涂層結構單元包括微米晶金剛石涂層和依次生長在所述微米晶金剛石涂層表面的納米晶金剛石涂層和超細納米晶金剛石涂層。
[0022]因此，本發明實施例多層金剛石涂層具有以下幾種實施方案:
[0023]—實施例，本發明實施例多層金剛石涂層只包括一個復合金剛石涂層結構單元，具體如圖1所示。該復合金剛石涂層結構單元1包括依次生長結合的微米晶金剛石涂層11、納米晶金剛石涂層12和超細納米晶金剛石涂層13。也即是在本實施例中，該多層金剛石涂層包括依次生長結合的微米晶金剛石涂層11、納米晶金剛石涂層12和超細納米晶金剛石涂層13。
[0024]另一實施例，本發明實施例多層金剛石涂層包括兩個復合金剛石涂層結構單元，即復合金剛石涂層結構單元1和復合金剛石涂層結構單元2，具體如圖2所示。該復合金剛石涂層結構單元1包括依次生長結合的微米晶金剛石涂層11、納米晶金剛石涂層12和超細納米晶金剛石涂層13;復合金剛石涂層結構單元2包括依次生長結合的微米晶金剛石涂層21、納米晶金剛石涂層22和超細納米晶金剛石涂層23。沿著所述微米晶金剛石涂層至超細納米晶金剛石涂層為單元重復的方向該復合金剛石涂層結構單元1和復合金剛石涂層結構單元2生長結合。也即是在本實施例中，多層金剛石涂層是以依次生長結合的微米晶金剛石涂層、納米晶金剛石涂層和超細納米晶金剛石涂層構成的重復單元或者周期性單元。
[0025]在又一實施例中，本發明實施例多層金剛石涂層包括三個以上的復合金剛石涂層結構單元。在本實施例中，每個復合金剛石涂層結構單元均包括依次生長結合的微米晶金剛石涂層、納米晶金剛石涂層和超細納米晶金剛石涂層;沿著所述微米晶金剛石涂層至超細納米晶金剛石涂層為單元重復的方向各復合金剛石涂層結構單元依次生長結合。也即是在本實施例中，多層金剛石涂層是以依次生長結合的微米晶金剛石涂層、納米晶金剛石涂層和超細納米晶金剛石涂層構成的重復單元或者周期性單元。
[0026]在優選實施例中，當本發明實施例