一種硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層及制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于真空鍍膜技術領域，尤其涉及一種用于硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合薄膜涂層及其制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來，由于汽車、航空等制造業的飛速發展，傳統硬質合金刀具在高硅鋁合金、金屬(陶瓷)基復合材料、碳纖維復合材料、碳化硅顆粒增強鋁基復合材料以及印刷電路板材料等難加工材料的加工、特別是切削過程中暴露出諸多問題，使得傳統硬質合金刀具無論是在使用壽命、加工精度方面，還是在加工表面完整性等方面，均難以滿足要求。金剛石是已知物質中硬度最大的材料，其具有低摩擦系數、低磨損率、高熱導率等優勢，非常適合作為傳統刀具的耐磨減摩涂層材料。但是硬質合金刀具襯底內鈷的催化作用使得金剛石沉積過程中容易形成石墨層，從而降低金剛石薄膜與襯底間的結合強度，影響金剛石薄膜壽命，嚴重阻礙了金剛石涂層刀具的產業化進程。
[0003]為了提高金剛石薄膜與硬質合金基底如Co-WC基底的結合強度，Riccardo Polini等人提出用兩步法酸處理硬質合金刀具襯底，去除硬質合金表面的鈷相。相對于未處理的硬質合金刀具，處理后的硬質合金基底與后續沉積的金剛石薄膜的結合強度有較大提升。然而，由于硬質合金基底表面的鈷含量不是一個恒定值，實際溶劑用量、處理時間都很難有一個標準值，故而很難對這一操作流程進行標準化，導致處理結果的重復性不理想。且該法使用的大量試劑有毒，不適合大批量、大規模的生產金剛石涂層硬質合金刀具。此外，金剛石薄膜的沉積溫度一般在750_950°C，高溫下，鈷的擴散性比較強，導致硬質合金內部的鈷會向表面擴散，不利于金剛石沉積的催化作用，反而容易催化產生石墨層，對提高金剛石薄膜與硬質合金襯底之間的結合強度效果不理想。
[0004]在上述的基礎上，研究者們發現，在金剛石薄膜和硬質合金刀具襯底之間添加過渡層，在金剛石沉積過程中，過渡層可以充當鈷的擴散勢皇，有效防止硬質合金刀具內部的鈷不斷的向表面擴散。目前，文獻報道的過渡層材料包括金屬過渡層Al、Cu、Nb、T1、W、Cr、Ta等；陶瓷材料過渡層TiN、TiC、SiC、CrN等;非晶碳材料過渡層；以及復合材料過渡層Cu/T1、W/Al、CrN/Cr等。其中，大多單層過渡層無法高效地增強金剛石沉積初始階段的形核密度。在眾多單層過渡層中，J.P.Manaud等人提出CrN具有最好的充當Co擴散勢皇的性能，但是由于CrN過渡層較厚，勢必會使刀具的鋒利度大打折扣;而復合過渡層卻面臨著生產成本高，操作繁瑣等一系列難題，難以向工業化邁進。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層，旨在解決硬質合金襯底和金剛石之間結合強度差、影響金剛石薄膜壽命的問題，進一步解決，現有的過渡層由于無法高效地增強金剛石沉積初始階段的形核密度、或過渡層過厚導致鋒利度降低、或復合過渡層成本高且制備技術要求高等一系列問題。
[0006]本發明的另一目的在于提供一種硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層的制備方法。
[0007]本發明是這樣實現的，一種硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層，包括沉積在硬質合金襯底上的碳化硼層，沉積在所述碳化硼層上的金剛石層，所述金剛石層為多晶金剛石層。
[0008]以及，一種硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0009]提供硬質合金襯底器具，對所述硬質合成器具進行預處理；
[0010]在所述硬質合金襯底表面沉積碳化硼層；
[0011 ]在所述碳化硼層上沉積金剛石層。
[0012]本發明提供的硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層，采用碳化硼作為金剛石層和硬質合金襯底之間的過渡層，可以有效抑制所述硬質合金襯底基體的鈷元素向所述金剛石層的擴散，在保證金剛石層性能優異的同時，大大地增強了兩者之間的結合強度，大幅度地延長了金剛石層的使用壽命。此外，所述碳化硼的熱膨脹系數(1.7 X 10—6/K)介于所述硬質合金襯底(4.5 X 10—6/Κ)和金剛石(I X 10—6/Κ)之間，從而可以有效改善因熱膨脹系數差異較大導致的殘余應力過大的問題。
[0013]本發明提供的硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層的制備方法，操作簡單易控，且對設備要求不高，所述氮化硼和金剛石可以在同一設備中沉積，易于實現產業化。此夕卜，采用本發明硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層的制備方法制備得到的金剛石/碳化硼復合涂層，可以有效提高金剛石在所述硬質合金襯底上的結合強度。
【具體實施方式】
[0014]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，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。
[0015]本發明實施例提供了一種硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層，包括沉積在硬質合金襯底上的碳化硼層，沉積在所述碳化硼層上的金剛石層，所述金剛石層為多晶金剛石層。
[0016]本發明實施例中，所述硬質合金襯底包括但不限于硬質合金刀具。
[0017]所述碳化硼層作為所述硬質合金襯底和所述金剛石層的中間過渡層，其厚度有一定的要求。若所述碳化硼層的厚度太薄，則不能起到抑制所述硬質合金襯底基體的鈷元素向所述金剛石層的擴散和降低殘余應力的作用;若所述碳化硼層的厚度太厚，導致金剛石層的摩擦系數增加，進而降低金剛石的鋒利度。作為優選實施例，所述碳化硼層的厚度為100-500nm。所述碳化硼層中的碳化硼的粒徑為30-500nm。該優選的碳化硼粒徑，可以降低所述碳化硼層的表面粗糙度，進而使得摩擦系數較小，提高減磨性能。
[0018]同樣，所述金剛石層的厚度，對形成的硬質合金器具性能影響較大。具體的，所述金剛石層過薄時，在生產實踐中較容易消耗殆盡;所述金剛石層過厚時，會降低金剛石的鋒利度。作為優選實施例，所述金剛石層的厚度為200ηπι-20μπι。本發明實施例中，所述金剛石層包括納米晶金剛石薄膜、納米晶微米晶混合金剛石薄膜中的一種。所述金剛石層中，金剛石的粒徑優選為50ηπι-10μπι。該優選的金剛石粒徑，可以降低所述金剛石層的表面粗糙度，進而使得摩擦系數較小，提高減磨性能。
[0019]本發明實施例提供的硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層，采用碳化硼作為金剛石層和硬質合金襯底之間的過渡層，可以有效抑制所述硬質合金襯底基體的鈷元素向所述金剛石層的擴散，在保證金剛石層性能優異的同時，大大地增強了兩者之間的結合強度，較大幅度地降低了金剛石薄膜在嚴苛的使用條件下剝落的概率，大幅度地延長了金剛石層的使用壽命。其次，所述碳化硼的熱膨脹系數(1.7X10—6/K)介于所述硬質合金襯底(4.5 X 10—6/Κ)和金剛石(I X 10—6/Κ)之間，從而可以有效改善因熱膨脹系數差異較大導致的殘余應力過大的問題。此外，在所述碳化硼層上面制備得到的金剛石層的質量較好，保持較高的摩擦磨損性能。
[0020]本發明實施例所述硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層可以通過下述方法制備獲得。
[0021]以及，本發明實施例還提供了一種硬質合金襯底的金剛石/碳化硼復合涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0022]SO1.提供硬質合金襯底器具，對所述硬質合成器具進行預處理；
[0023]S02.在所述硬質合金襯底表面沉積碳化硼層；
[0024]S03.在所述碳化硼層上沉積金剛石層。
[0025]具體的，上述步驟SOl中，所述硬質合金襯底包括但不限于硬質合金刀具。所述硬質合金襯底的材料不受限制，可采用本領域常規的硬質合金襯底材料，包括WC-Co，如型號為YG6的硬質合金刀具。
[0026]本發明實施例中，為了提高所述碳化硼層在所述硬質合金襯底上的結合強度，需要對所述硬質合成器具進行預處理，即表面清潔處理。作為優選實施例，所述預處理的方法為:依次采用丙酮、酒精、去離子水進行超聲處理，充分除去所述硬質合金襯底表面雜質或污漬，包括有機物和無機物。作為進一步優選實施例，采用丙酮、酒精、去離子水進行超聲處理可分別為8-15111；[11、8-15111；[11、和5-15111；[11，具體可為12111；[11、12111；[11和10111；[11。當然，所述預處理方法不限于上述一種方法，也可以采用其他能夠清除所述硬質合金襯底表面雜質或污漬的其他方法實現。
[0027]將進行預處理后的所述硬質合金襯底進行干燥處理，為了避免引入其他雜質，所述干燥處理優選采用氮氣吹干實現。
[0028]上述步驟S02中，在所述硬質合金襯底表面沉積碳化硼層的方法包括但不限于溶膠碳熱還原法、化學氣相沉積法。其中，化學氣相沉積法包括但不限于常壓或低壓化學氣相沉積法(c-CVD)、熱絲化學氣相沉積法(HFCVD)、等離子增強化學氣相沉積法(PECVD)和同步輻射誘導化學氣相沉積法(SRCVD)等。本發明實施例優選采用熱絲化學氣相沉積法或微波等離子增強化學氣相沉積法制備均勻致密的所述碳化硼層。
[0029]作為具體實施例，采用熱絲化學氣相沉積所述碳化硼層前，應先對熱絲進行談話預處理。以15根間距為10mm，每根直徑為0.5mm、長度為250mm的鉭絲為例，所述碳化處理的條件可優選如下:調控氣壓為4.3KPa，在甲烷流量lOsccm、氫氣流量200sCCm的條件下，保持熱絲溫度2200±100°C，處理時間為40±10分鐘。當熱絲溫度基本恒定不變、即熱絲溫度不再上升時，即表面碳化完成。
[0030]采用熱絲化學氣相沉積法制備所述碳化硼層時，將碳源和硼源置于還原氣氛下進行熱處理，氣相沉積碳化硼。具體的，抽真空使得內部氣壓為10—4-10—5Pa，調整熱絲溫度為1500-2000°C，具體可為1700°C;然后在氫氣氣氛下，通入硼源和碳源，在溫度為600-1000°C具體可為700°C的所述硬質合金襯底表面沉積所述碳化硼薄膜，沉積時間以所述碳化硼層的具體厚度而定，優選為10-60min。作為進一步優選實施例，所述碳源為甲烷，所述硼源為三氯化硼、乙硼烷、三甲基硼烷中的至少一種。更進一步地，沉積腔室中，通過所述氫氣、硼源和碳源的氣體流量控制硼源和碳源的通入量，優選的，本發明實施例中，所述硼源和碳源的摩爾比為:1:(1-10))，以便高效地獲得質地致密均勻的碳化硼層。作為一個具體實施例，在氫氣氣氛下，將體積百分含量分別為0.1-2.5%的三氯化硼濃度和0.1-3%的甲燒濃度同時通入反應腔體，所述氫氣、三氯化硼和甲烷氣體流量分別為l-5sccm、l-6sccm和200-600SCCm，沉積腔室的氣壓維持在2-8KPa。所述硬質合金襯底的溫度可以通過調控基片臺的高度實現，具體的，可以將基片臺上升到一定的高度，使所述硬質合金襯底表面的溫度達到600-1000。