專(zhuān)利名稱(chēng)：：一種金剛石薄膜涂覆硬質(zhì)合金刀具的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于低壓化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石薄膜應(yīng)用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的技術(shù)方法，主要適用于金剛石薄膜涂層刀具的制造。在涂層刀具方面的應(yīng)用是CVD金剛石薄膜的重要應(yīng)用之一，以硬質(zhì)合金為基底沉積金剛石薄膜形成的超硬涂層材料將金剛石本身出色的硬度、耐磨性、導(dǎo)熱性及化學(xué)穩(wěn)定性與硬質(zhì)合金基底良好的抗沖擊韌性結(jié)合為一體，獲得了任何單一材料所難具備的優(yōu)良綜合性能，是一種不可多得的高效刀具材料。但在硬質(zhì)合金基底上沉積金剛石時(shí)，由于(1)硬質(zhì)合金與金剛石之間在微觀結(jié)構(gòu)和熱性能上存在較大差異，導(dǎo)致合成薄膜中孕育有較大內(nèi)應(yīng)力(2)硬合金主體成份WC已達(dá)到飽和化學(xué)匹配，沉積過(guò)程不會(huì)形成碳化物過(guò)渡層，薄膜與基底間是一種機(jī)械聯(lián)接(3)基底粘結(jié)相Co在低壓條件下是石墨催化劑，在沉積過(guò)程中誘導(dǎo)金剛石向石墨轉(zhuǎn)化，在薄膜與基底界面形成石墨夾層，上述原因致使在硬質(zhì)合金基底上直接沉積金剛石時(shí)，生成薄膜與基底間的結(jié)合力弱，制約了金剛石薄膜涂覆硬質(zhì)合金刀具的實(shí)際應(yīng)用。因而，如何提高結(jié)合強(qiáng)度是金剛石薄膜涂層刀具開(kāi)發(fā)應(yīng)用中急待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在現(xiàn)有技術(shù)中普遍采用如下兩種途徑來(lái)提高金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基底間的結(jié)合強(qiáng)度1、利用原位等離子刻蝕或化學(xué)腐蝕的方法對(duì)硬質(zhì)合金基底表面預(yù)先進(jìn)行去Co處理，以消除Co的不良影響。這類(lèi)方法一方面由于去Co使基底本身性能受到削弱，另一方面提高結(jié)合強(qiáng)度的效果不顯著。(R.HaubneretalJ.Phys.1989(5)第169頁(yè)M.MurakawaetalSurf.Coat.Technol.1988(36)第303頁(yè))2、利用磁控濺射或離子蒸鍍的方法在硬質(zhì)基底表面預(yù)先建立化學(xué)過(guò)渡層，在實(shí)現(xiàn)基底表面改性，提高基底與金剛石間相容性的同時(shí)，抑制Co的擴(kuò)散。這類(lèi)方法可顯著提高結(jié)合強(qiáng)度，但由于引入磁控濺射手段或離子蒸鍍技術(shù)，使其實(shí)現(xiàn)所用設(shè)備及工藝過(guò)程復(fù)雜，工藝成本高，因而，難以推廣應(yīng)用。(M.NesladeketalDiamondRelat.Mater.1993(3)第98頁(yè)T.IsozakietalDiamondRelatMater.1993(2)第1156頁(yè))本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡(jiǎn)單，成本低，能顯著提高金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基底間結(jié)合強(qiáng)度的金剛石薄膜涂層刀具的制造方法。實(shí)現(xiàn)化學(xué)鍵結(jié)合是提高結(jié)合強(qiáng)度的有效途徑，低壓CVD沉積金剛石技術(shù)既能以單晶金剛石為襯底獲得以化學(xué)鍵牢固結(jié)合的金剛石同質(zhì)外延生長(zhǎng)，又能在異質(zhì)基底上成核結(jié)晶生長(zhǎng)金剛石。如在硬質(zhì)合金基底表層預(yù)植入單晶金剛石后進(jìn)行沉積，金剛石將既在預(yù)植入單晶金剛石表面同質(zhì)外延生長(zhǎng)，又在硬質(zhì)合金基底上成核生長(zhǎng)。由于同質(zhì)外延生長(zhǎng)的發(fā)生，使薄膜與基底間實(shí)現(xiàn)了部分化學(xué)鍵結(jié)合，因而能顯著提高結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)，由于基底表面預(yù)植入單晶金剛石的存在，不僅使粘結(jié)相Co所占基底比表面積減小，而且還堵塞了基體內(nèi)Co擴(kuò)散至基底表面的主要通道，因而有效地抑制了Co的影響。有利于提高成膜質(zhì)量。基于上述構(gòu)思，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案在WC-Co硬質(zhì)合金粉料中添加一定濃度和粒度的低品級(jí)單晶金剛石，壓制燒結(jié)形成WC-Co-Dia基底。添加金剛石孕鑲于硬質(zhì)合金基體之中。對(duì)基底表面進(jìn)行研磨使表層孕鑲金剛石充分裸露，然后進(jìn)行CVD金剛石沉積。金剛石既在裸露金剛石表面同質(zhì)外延生長(zhǎng)，又在裸露金鍘石以外的硬質(zhì)合金基底表面結(jié)晶生長(zhǎng)，形成外延生長(zhǎng)與結(jié)晶生長(zhǎng)共沉積的金剛石膜。這些外延生長(zhǎng)金剛石在薄膜與基底間起到“樁基錨固”作用，將薄膜整體牢固鑲嵌于硬質(zhì)合金基底之上作用示意圖見(jiàn)圖1，圖1中1為基底，2為基底孕鑲金剛石上外延生長(zhǎng)金剛石，3為結(jié)晶生長(zhǎng)金剛石。本發(fā)明主要包括如下工序1、基底配料基底粉料采用WC-Co硬質(zhì)合金粉料，添加金剛石品級(jí)選用II型料，添加粒度范圍為600～150目。根據(jù)選定粒度確定相應(yīng)的金剛石添加濃度，使充分研磨后，基底表面裸露金剛石的面積之和與基底總表面積之比為20％～30％；2、成型燒結(jié)將上述配料充分混勻，以常規(guī)粉末冶金制品成型燒結(jié)工藝?yán)鋲撼尚?，采用H2保護(hù)氣氛，在900～1100℃下燒結(jié)；3、研磨處理用SiC樹(shù)脂砂輪充分研磨燒結(jié)基底表面，使表層孕鑲金剛石充分裸露；4、清洗處理對(duì)研磨基底進(jìn)行丙酮液超聲波清洗，并烘干；5、采用現(xiàn)有CVD沉積金剛石薄膜技術(shù)中的任何一種方法在基底表面進(jìn)行金剛石薄膜沉積。只要沉積工藝適當(dāng)，即能獲得與基底間良好粘結(jié)的金剛石薄膜生長(zhǎng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比、本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、工藝簡(jiǎn)單易行，可操作性強(qiáng)。2、工藝成本低。3、工藝實(shí)施不受基底尺寸及表面幾何形狀制約，適用性廣。4、在顯著提高結(jié)合強(qiáng)度的同時(shí)，有效抑制了Co的影響，有利于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量金剛石薄膜生長(zhǎng)。實(shí)施例根據(jù)本發(fā)明所述方法，確定了三種不同金剛石添加粒度與濃度的匹配方案，利用火焰法沉積金剛石薄膜工藝進(jìn)行金剛石薄膜沉積。與未添加金剛石的硬質(zhì)合金相比，結(jié)合強(qiáng)度均有顯著提高(見(jiàn)表1)。其中，結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)量采用洛氏硬度計(jì)壓痕測(cè)量法，壓頭為洛氏金剛石球形壓頭，直徑為200μm。以薄膜沿壓痕處發(fā)生剝離的臨界載荷作為結(jié)合強(qiáng)度衡量指標(biāo)。(C.R.ShietalDiamondRelat.Mater.1995(4)第1079頁(yè))表1不同金剛石添加量及樣品結(jié)合強(qiáng)度</tables>權(quán)利要求1.一種金剛石薄膜涂覆硬質(zhì)合金刀具的制造方法，其特征在于在WC-Co硬質(zhì)合金粉料中添加一定濃度和粒度的低品級(jí)單晶金剛石，壓制燒結(jié)形成WC-Co-Dia基底，對(duì)基底表面進(jìn)行研磨使表層孕鑲的金剛石充分裸露，然后進(jìn)行CVD金剛石沉積；其具體工序如下(1)、基底配料基底粉料采用WC-Co硬質(zhì)合金粉料，添加金剛石品級(jí)選用II型料，添加粒度范圍為600～150目。根據(jù)選定粒度確定相應(yīng)的金剛石添加濃度，使充分研磨后，基底表面裸露金剛石的面積之和與基底總表面積之比為20％～30％；(2)、成型燒結(jié)將上述配料充分混勻，以常規(guī)粉末冶金制品成型燒結(jié)工藝?yán)鋲撼尚?，采用H2氣保護(hù)氣氛，在900～1100℃下燒結(jié)；(3)、研磨處理用SiC樹(shù)脂砂輪充分研磨燒結(jié)基底表面，使表層孕鑲金剛石充分裸露；(4)、清洗處理對(duì)研磨基底進(jìn)行丙酮液超聲波清洗，并烘干；(5)、采用現(xiàn)有CVD沉積金剛石薄膜技術(shù)中的任何一種方法在基底表面進(jìn)行金剛石薄膜沉積，即可制得金剛石薄膜涂覆硬質(zhì)合金刀具。全文摘要一種金剛石薄膜涂覆硬質(zhì)合金刀具的制造方法,屬于金剛石薄膜涂覆硬質(zhì)合金材料領(lǐng)域,其特點(diǎn)是在WC－Co硬質(zhì)合金粉料中添加一定濃度和粒度的低品級(jí)單晶金剛石,壓制燒結(jié)形成WC－Co－Dia基底,對(duì)基底表面進(jìn)行研磨使表層孕鑲的金剛石充分裸露,然后進(jìn)行CVD金剛石沉積即制得成品,本發(fā)明方法具有工藝簡(jiǎn)單、成本低,能顯著提高金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基底間的結(jié)合強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。文檔編號(hào)C23C16/26GK1170776SQ97100548公開(kāi)日1998年1月21日申請(qǐng)日期1997年1月30日優(yōu)先權(quán)日1997年1月30日發(fā)明者陳哲,彭先奇,王梅,俞景申請(qǐng)人:冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院