納米金剛石涂層的制備方法及納米金剛石刀片的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于超硬材料技術領域，具體涉及一種納米金剛石涂層的制備方法及納米金剛石刀片。
【背景技術】
[0002]隨著超硬材料的種類越來越多，可作為加工切削行業的刀具也越來越多。金剛石刀具由于具有極高的硬度和熱導率，以及極低的摩擦系數和熱膨脹系數，使之在加工材料行業占有絕對優勢，但隨著加工行業對加工精度要求的提高，使得一般的金剛石刀具難以滿足現狀，理想的精加工刀具是要求刀具表面需要極其光滑，使之能夠在加工材料過程中提高加工精度。
[0003]納米金剛石刀具，不但保持了塊體金剛石所具有的硬度和熱導率的優點，還兼具納米材料的一些特性如較高的表面光潔度。納米金剛石在結構上主要以SP3雜化鍵連接而成的某種網狀結構，保證了在切削過程中的精度，相比于微米金剛石涂層具有更低的表面粗糙度、更低的摩擦系數，更適用于精加工領域。但由于硬質合金基體中存在鈷的粘結相，鈷往往會促進石墨相生長，進而導致沉淀金剛石涂層與硬質合金基體之間的結合力減弱，從而使得現有的金剛石涂層刀具的精度不夠好，使用壽命比較短。
[0004]為了解決以上存在的問題，人們一直在尋求一種理想的技術解決方案。
【發明內容】
[0005]由鑒于此，本發明確有必要提供一種納米金剛石涂層的制備方法及一種利用上述制備方法制造的具有加工精度高、使用壽命長且與硬質合金基體結合緊密的納米金剛石刀片，以解決上述問題。
[0006]本發明提供的技術方案主要是通過在硬質合金基體表面首先沉積一層過度層，然后在所述過渡層表面再利用化學氣相沉積法沉積一層納米金剛石涂層，以改善所述納米金剛石涂層與所述硬質合金基體之間的結合力。具體地，本發明提供一種納米金剛石涂層的制備方法，包括以下步驟:
沉積過渡層:采用物理氣相沉積法在硬質合金基體表面沉積一層過渡層，獲得含有過渡層的硬質合金基體；
超聲清洗:將所述含有過渡層的硬質合金基體置于超納米金剛石懸浮液中進行超聲清洗20?50min，經干燥處理后獲得硬質合金沉淀前處理體；
沉積納米金剛石涂層:采用化學氣相沉積法在所述硬質合金沉淀前處理體表面沉積一層納米金剛石涂層，制得納米金剛石涂層。
[0007]基于上述，所述過渡層的厚度為3?5μπι，所述過渡層的沉淀材料包括鉬、鈦、鉻、鈮、鎳、氮化硅、氧化鋁中的一種或幾種材料的組合。
[0008]基于上述，所述物理氣相沉積方法為磁控濺射法或電弧離子鍍法。
[0009]基于上述，所述化學氣相沉積法為熱絲化學氣相沉積法或微波等離子體化學氣相沉積法。
[0010]基于上述，所述熱絲化學氣相沉積法的具體工藝為:在壓力為2kPa，溫度為2300°C?2500條件下，利用熱絲化學氣相沉積法，以H2、CH4為反應氣體源在所述鎢鈷合金沉淀前處理體上反應6?8小時形成納米金剛石涂層，其中，CH4氣體體積在總反應氣體源體積的1%?
5% ο
[0011]基于上述，所述微波等離子體化學氣相沉積法的具體工藝為:在壓力為13kPa，溫度為700°C?900°C條件下，利用微波等離子體化學氣相沉積法，以H2、CH4為反應氣體源在所述媽鈷合金沉淀前處理體上反應6?10小時形成納米金剛石涂層，其中，微波功率為7kW，CH4氣體體積在總反應氣體源體積的I %?5%。
[0012]基于上述，所述超納米金剛石懸浮液的制備步驟具體包括:
首先將平均粒徑為4?50nm的超納米金剛石顆粒懸浮在溶劑中，配制成顆粒數目濃度為117?12Vg的濃超納米金剛石懸浮液;然后取2?5mL所述濃超納米金剛石懸浮液滴入10?50mL的超純水中，攪拌均勻進行稀釋從而制得所述超納米金剛石懸浮液;其中，所述超純水是指電阻率大于15ΜΩ.cm的去離子水。
[0013]本發明還提供一種納米金剛石刀片，包括刀片基體和依次沉積在所述刀片基體表面的過渡層和納米金剛石涂層，所述納米金剛石涂層是由所述的納米金剛石涂層的制備方法制備的。
[OOM] 優選地，所述納米金剛石涂層中的納米金剛石顆粒的平均粒徑為30?lOOnm。
[0015]優選地，所述納米金剛石涂層的表面粗糙度為50?lOOnm。
[0016]與現有技術相比，本發明提供的納米金剛石涂層的制備方法，在所述硬質合金基體表面沉積的過渡層，減少了所述硬質合金基體中的鈷成分對納米金剛石涂層的生長影響；采用超納米金剛石懸浮液對其進行超聲處理，由于所述超納米金剛石懸浮液中的金剛石顆粒的粒徑比較小，帶有過渡層的所述硬質合金基體經過所述超納米金剛石懸浮液超聲清洗后，其表面容易吸附可以作為后續沉積所述納米金剛石涂層晶核的小粒徑的超納米金剛石顆粒;從而增加納米金剛石的成核量，有利于納米金剛石涂層的沉積，與所述過渡層一起提高了所述納米金剛石涂層與所述硬質合金基體之間的結合力，從而增加了所述納米金剛石刀片的精度、耐磨性及使用壽命。
[0017]試驗證明:采用數顯顯微維氏硬度計(VTD512)對由本發明提供的方法制備的納米金剛石涂層做壓痕測試，從金剛石膜脫離方式、壓痕周邊裂紋、壓痕半徑三方面來分析金剛石膜的與基底的結合力，所述納米金剛石涂層雖有壓痕損傷但壓痕不明顯且半徑小于30μm，壓痕周邊無裂紋，預示著本征應力和熱應力的顯著下降，因此，由本發明提供的方法制備的納米金剛石涂層與硬質合金基體有比較強的結合力。
[0018]另外，以國際標準ISO針對WC_6%wt.Co規定以1/2切削深度處后刀面上磨損帶寬VB作為磨鈍標準，硬質合金刀具的磨鈍標準VB=0.4mm。車削設備:CK6136I數控車床、車削材料:ZAlSii2、車削速度V=200m/min、進給量f=24mm/min、車削深度ap=0.5mm，在磨損量VB=
0.4mm下，本發明提供的納米金剛石刀片的壽命為300?500min。
【具體實施方式】
[0019]下面通過【具體實施方式】，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0020]實施例1
本實施例提供一種納米金剛石涂層的制備方法，具體包括以下步驟:
沉淀過渡層:首先將鎢鈷合金基體經超純水清洗、干燥后得到潔凈鎢鈷合金基體;然后采用電弧離子鍍法在所述潔凈鎢鈷合金基體表面沉積一層金屬鉬過渡層，得到表面帶有鉬涂層的鎢鈷合金基體。
[0021 ]超聲清洗:首先將粒徑為4?50nm的超納米金剛石顆粒懸浮在溶劑中，配制顆粒數目濃度為6 X 1018/g的濃超納米金剛石懸浮液;然后取2mL所述濃超納米金剛石懸浮液滴入50mL的超純水中，攪拌均勻進行稀釋從而制得所述米金剛石懸浮液;然后將所述表面帶有鉬涂層的鎢鈷合金基體置于所述超納米金剛石懸浮液中進行超聲清洗20min，然后在200°C的溫度下干燥20min，得到鎢鈷合金沉淀前處理體。其中，所述濃超納米金剛石懸浮液在常溫下的PH值為4.5，所述超純水是指電阻率大于15ΜΩ.CM的去離子水。
[0022]沉積納米金剛石涂層:在壓力為2kPa，溫度為2300°C條件下，利用熱絲化學氣相沉積法，以H2、CH4為反應氣體源在所述鎢鈷合金沉淀前處理體上反應6小時形成納米金剛石涂層。其中，CH4氣體體積在總反應氣體源體積的1.5%，制得的所述納米金剛石涂層的表面粗糙度為80nm，所述納米金剛石涂層中的納米金剛石顆粒的平均粒徑為10nm0
[0023]對比試驗I
對比試驗I提供一種納米金剛石涂層的制備方法，該制備方法與實施例1提供的制備方法基本相同，不同之處在于:對比試驗I不包括上述超聲清洗的步驟，所述鎢鈷合金基體在經過上述沉積過渡層的步驟之后，直接進入所述沉積納米金剛石涂層的步驟。
[0024]對比試驗2
對比試驗2提供一種納米金剛石涂層的制備方法，該制備方法與實施例1提供的制備方法基本相同，不同之處在于:對比試驗2不包括上述沉積過渡層步驟，鎢鈷合金基體在經過超純水清洗后，直接進入上述超聲清洗及沉積納米金剛石涂層的步驟。
[0025]試驗證明:采用數顯顯微維氏硬度計(VTD512)對利用本實施例提供的方法制備的附著在鎢鈷合金基體表面的納米金剛石涂層做壓痕測試，從金剛石膜脫離方式、壓痕周邊裂紋、壓痕半徑三方面來分析金剛石復合涂層與基底的結合力。
[0026]試驗結果表明:由對比試驗I制得的納米金