複雜形狀cvd金剛石/類金剛石複合塗層刀具製備方法
2023-05-06 18:48:21 1
專利名稱：複雜形狀cvd金剛石/類金剛石複合塗層刀具製備方法
技術領域：
本發明涉及ー種CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具的製備方法，具體是ー種可以在複雜形狀整體式硬質合金刀具外表面成績具有極高膜-基附著強度的CVD金剛石/類金剛石複合塗層的製備エ藝方法。
背景技術：
化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition, CVD)金剛石薄膜具有許多接近天然金剛石的優異性能，如硬度高、弾性模量大，摩擦係數低、耐磨性強以及表面化學性能穩定等。CVD金剛石薄膜的製備不受基體形狀的制約，能夠直接沉積在複雜形狀基體的表面，因此，它非常適合作為耐磨、減摩以及保護性塗層材料應用於具有複雜形狀的硬質合金整體式刀具外表面，達到提高刀具耐磨性、延長刀具使用壽命等目的。對塗層刀具來說，CVD金剛石薄膜與刀具基體之間的附著強度以及薄膜的表面特性是影響其工作壽命及加工性能的決定性因素。根據薄膜表面質量和結構成分的不同，CVD金剛石薄膜可被分為微米金剛石薄膜(Microcrystalline Diamond Films, MCD)和納米金剛石薄膜(Nanocrystalline Diamond Films, NCD),兩者應用在複雜形狀刀具表面時均存在明顯缺陷。MCD薄膜是由微米級柱狀多晶金剛石晶粒組成的，具有非常優異的耐磨性，並且與刀具基體之間具有良好的附著強度，這能夠大幅提高塗層刀具的工作壽命。然而，MCD薄膜表面的金剛石晶粒晶粒粗大、不均勻，薄膜表面較為粗糙，且無法進行表面拋光處理。在加工過程中，金剛石晶粒尖銳的稜角會導致加工過程中產生應力集中，造成金剛石晶粒沿晶界斷裂，最終導致薄膜脫落而使刀具失效。此外，MCD粗糙的表面會導致刀具與エ件材料接觸時產生較大的磨損以及較高的切削力，從而影響塗層刀具的工作壽命。與MCD薄膜相比，NCD薄膜的晶粒尺寸一般小於lOOnm，表面光滑平整，具有良好的表面質量。但是，NCD薄膜與複雜形狀硬質合金基體之間附著強度較弱，耐磨性差，並且具有較高的內應力，這些缺陷會導致其在加工過程中過快磨損或從基體上剝落，嚴重影響塗層刀具的工作壽命。經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利申請號03151295. X公開了ー種「硬質合金基體複雜形狀刀具表面金剛石塗層的製備方法」，該文獻公開的エ藝針對複雜形狀的硬質合金刀具基體，採用微波化學複合預處理技術對刀具基體進行預脫鈷、脫碳及粗化處理，以提高塗層早期形核率、改善膜基附著強度；然後採用電子增強熱絲CVD納米金剛石複合塗層技術，通過改變エ藝條件，在已經生長了結晶性好的金剛石塗層表面繼續原位生長ー層由微晶聚集而成的球狀納米級金剛石塗層。採用這種エ藝，在獲得了良好的膜基附著強度的同時，有效降低了金剛石塗層的表面粗糙度，提高了塗層刀具的切削性能。然而，這項技術仍存在一定的不足。首先，在金剛石塗層表面原位沉積NCD薄膜雖然在一定程度上改善了塗層的表面質量，但NCD薄膜本身內應カ較大的缺陷仍然存在，在加工過程中容易引起薄膜剝落，影響塗層刀具的使用壽命。其次，採用熱絲CVD法在複雜形狀刀具表面沉積金剛石薄膜時，由於溫度場分布不均以及反應氣體難以達到等原因，沉積在刀具螺旋槽內部 的薄膜厚度一般較小，造成刀具表面塗層厚度不均勻，這會對塗層刀具的壽命造成極大影響，採用上述文獻中公開的エ藝無法有效解決這ー問題。
發明內容
本發明的目的在於克服上述現有技術存在的不足，提供ー種在複雜形狀CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具的製備方法。該複合塗層具有優異的膜-基附著強度、光滑平整的表面質量、優異的耐磨減摩及自潤滑特性，同時還具有內應カ低、塗層厚度均勻等特點。本發明的目的是通過以下技術方案實現的本發明涉及一種複雜形狀CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具製備方法，包括如下步驟步驟ー採用熱絲CVD法在經過預處理後的複雜形狀整體式硬質合金刀具表面沉積ー層MCD薄膜；步驟ニ 採用磁控等離子濺射法在塗覆了 MCD薄膜的塗層刀具表面繼續沉積ー層DLC薄膜，即可。優選地，所述步驟一中的預處理採用酸鹼兩步法。優選地，所述步驟一中沉積MCD薄膜的過程具體包括形核階段、生長階段和負偏壓離子轟擊階段。進ー步優選地,所述形核階段採用的沉積エ藝參數為丙酮流量為70 85sccm、氫氣流量為200 220sccm，硼碳原子比為3000 3500ppm，反應氣體壓カ為17. 5 18. 5Torr，偏流為3. 0 3. 5A，沉積時間為0. 5h。進ー步優選地，所述生長階段採用的沉積エ藝參數為反應氣體壓カ為35 40Torr，偏流為2. 8 3. 0A，沉積時間為5 8h。進ー步優選地，所述負偏壓離子轟擊階段採用的沉積エ藝參數為丙酮、氫氣、氣氣流量分別為120 150sccm、200 220sccm、60 150sccm,砸碳原子比為3000 3500ppm，反應氣體壓カ為10 15Torr，偏流為-0. 1A，沉積時間為0. 5h。優選地，所述步驟ニ中沉積DLC薄膜的過程具體包括離子轟擊清洗及表面電離提純活化階段以及DLC薄膜生長階段。進ー步優選地，所述離子轟擊清洗及表面提純活化階段採用的エ藝參數為反應氣體壓カ為4 XKT2 5 X KT2Torr,功率為30 35kW，刀具偏壓為-2000V，持續時間為30分鐘。進ー步優選地，所述DLC薄膜生長階段採用的エ藝參數為離子源/磁流強度為60A，反應氣體壓カ為4X1(T3 5X KT3Torr,刀具偏壓為-1500V，持續時間為90 150分鐘。與現有技術相比，本發明具有如下有益效果I、本發明的複合塗層具有優異的膜-基附著強度、光滑平整的表面質量、優異的耐磨減摩及自潤滑特性，同時還具有內應カ低、塗層厚度均勻等特點。2、相對傳統的CVD金剛石塗層刀具，採用該エ藝製備的CVD金剛石/類金剛石復 合塗層刀具，其工作壽命可提高3 5倍，最優切削速度提高50 100%，具有極其優異的切削加工性能。
具體實施例方式下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一歩理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。實施例I在高精密石墨電極加工用硬質合金(YG6)複雜形狀整體式銑刀表面沉積CVD金剛石/類金剛石塗層，刀具直徑8mm,刃長40mm,長度100mm。採用以下步驟第一歩，將硬質合金石墨銑刀的刀刃區域置於Murakami溶液中進行30分鐘的超 聲清洗，使基體表層的碳化鎢顆粒碎裂，導致表面粗化。Murakami溶液的成分為氫氧化鉀(KOH)、鐵氰化鉀(K3Fe(CN)6))和水(H2O),其質量配比為I : I : 10。隨後，取出刀具用水洗浄後再置於Caro混合酸溶液中進行I分鐘的刻蝕以去除其表層的鈷元素。Caro酸溶液的成分為濃硫酸(H2SO4)和雙氧水(H2O2),其體積配比為I : 10。最後，將經過預處理的硬質合金刀具浸泡在丙酮溶液中進行5分鐘的超聲清洗，以去除刀具表面的酸鹼參與物質以及氣體雜質，取出晾乾後立即置於反應室中進行CVD金剛石薄膜的沉積。第二歩，將經過預處理的石墨銑刀放入熱絲CVD裝置的反應室進行沉積CVD金剛石薄膜的形核階段。採用的沉積エ藝參數為丙酮/氫氣流量85/200sCCm，硼碳原子比3500 Ippm,反應壓カ17. 5Torr，偏流3. 5A，沉積時間0. 5h。第三步，經過半小時形核階段後，將反應氣體壓力提高至40TOrr，偏流降低至
3.0A,保持反應氣體流量比及硼碳原子比不變，實驗證明該環境條件最適合金剛石晶粒的生長。經過5小時的充分生長，可獲得晶粒尺寸約為I 2 y m的MCD薄膜，這保證了塗層具有良好的膜基附著強度和耐磨性。第四步，採用高碳源濃度(將丙酮流量提高至150sccm)、在反應氣體中引入氬氣(流量為150SCCm)、降低反應壓カ至15Torr以及在熱絲和刀具基體之間施加負偏壓(偏流值為-1.5A)等エ藝，使正離子形成定向流動，轟擊薄膜表面，產生大量能夠成為二次形核活性點的表面缺陷，從而大幅提高二次成核密度，達到細化薄膜表面的目的。實驗結果證明，經過半小時的負偏壓離子轟擊後，能夠有效降低金剛石薄膜的內應力，並在MCD薄膜表面上生長處許多細小的金剛石晶粒，明顯改善了 MCD薄膜的表面光滑性；第五歩，將沉積了 MCD薄膜的刀具從CVD反應室中取出，置於純丙酮溶液，超聲波清洗20分鐘，清洗刀具表面可能殘留的各類雜質，待其完全乾燥後放入PVD反應室裝夾固定;第六步，開啟真空系統，首先將反應室本底真空抽至2X10_6Torr。隨後，反應室充入Ar氣，調節氣體流量，將反應室真空度保持在5 X IO-2Torr,運用正負脈衝離子電源對刀具表面進行離子轟擊和電離提純活化，功率30kW，刀具偏壓-2000V，持續30分鐘，以清除刀具表面殘留雜質，去除CVD金剛石塗層表面尖鋭的晶粒稜角，増加塗層平整度，提高塗層表面活性，達到降低塗層應力、增強層間附著強度的效果；第八步，調節Ar氣流量，將反應室的真空度調至5 X 10_3Torr，開啟石墨離子源，調節離子源/磁流至60A，刀具偏壓設為-1500V，反應時間150分鐘，可在MCD薄膜表面獲得厚度為2 3 ii m、表面光滑平整、具有良好的膜-基附著強度的DLC薄膜；
第九歩，隨爐冷卻30分鐘後取出，即可製備獲得CVD金剛石/類金剛石複合塗層石墨銑刀。
採用上述方法可在具有複雜形狀外表面的硬質合金石墨銑刀表面製備獲得ー層均勻連續的CVD金剛石/類金剛石複合塗層，刀具不同位置的塗層厚度約為6 8 y m。在同等切削條件下，CVD金剛石/類金剛石複合塗層銑刀的工作壽命可比硬質合金銑刀提高8 10倍，在整個切削過程中塗層刀具表面無薄膜脫落現象，表現出良好的膜基附著強度。實施例2在印刷電路板銑邊用硬質合金(YG6) PCB銑刀表面沉積CVD金剛石/類金剛石塗層，刀具直徑6mm,刃長35mm,長度80mm。採取以下步驟第一歩，採用與實施例I中相同的エ藝方法處理PCB銑刀的刀刃部分；第二歩，將經過預處理後的PCB銑刀放入熱絲CVD反應腔，先進行半小時形核(丙酮/氫氣流量70/220sCCm，硼碳原子比3200 lppm，反應壓カ18Torr，偏流3. 2A);隨後將反應氣體壓カ提高至28Torr，偏流降低至3. 0A,進行7小時薄膜生長階段，在銑刀表面沉積一層晶粒尺寸I 2 ii m的MCD薄膜；第三步,將丙酮流量提高至130sccm,引入流量為IOOsccm的気氣，降低反應壓カ至12Torr，在熱絲和刀具基體之間施加-I. 5A偏流，使正離子形成定向流動，轟擊薄膜表面
0.5h，產生大量能夠成為二次形核活性點的表面缺陷，從而大幅提高二次成核密度，達到細化薄膜表面的目的；第四歩，將沉積MCD塗層的刀具從熱絲CVD反應腔中取出，置於純丙酮溶液，超聲波清洗20分鐘，待其完全乾燥後放入PVD反應室裝夾固定；第五歩，首先將反應室本底真空抽至2X 10_6Torr，隨後引入Ar氣，調節氣體流量，將反應室真空度保持在4. 5X KT2Torr,運用正負脈衝離子電源對刀具表面進行離子轟擊和電離提純活化，功率32kW，刀具偏壓-2000V，持續30分鐘；第六步，調節Ar氣流量，將反應室的真空度調至4. 5 X KT3Torr，開啟石墨離子源，調節離子源/磁流至60A，刀具偏壓設為-1500V，反應時間120分鐘，可在MCD薄膜表面獲得厚度為2 3 ii m、表面光滑平整、具有良好的膜-基附著強度的DLC薄膜；第七歩，隨爐冷卻30分鐘後取出，即可製備獲得具有優異膜-基附著強度及光滑表面質量的CVD金剛石/類金剛石複合塗層PCB銑刀。採用上述方法製備獲得的CVD金剛石/類金剛石塗層PCB銑刀應用在印刷電路板的銑邊加工中，可加工長度可比傳統硬質合金PCB銑刀提高5倍左右，且加工表面質量良好，無毛刺。銑邊加工過程中，塗層刀具表面無薄膜脫落現象，表現出良好的膜基附著強度。實施例3在碳纖維複合材料加工用硬質合金整體式單刃銑刀表面沉積CVD金剛石/類金剛石塗層，刀具直徑5mm,刃長28mm,長度76mm。採取以下步驟第一歩，採用與實施例I中相同的エ藝方法處理單刃銑刀的刀刃部分；第二歩，將經過預處理後的單刃銑刀放入熱絲CVD反應腔，先進行半小時形核(丙酮/氫氣流量80/210sccm，硼碳原子比3000 lppm，反應壓カ18. 5Torr，偏流3. 0A);隨後將反應氣體壓力提高至35Torr，偏流降低至2. 8A，進行8小時薄膜生長階段，在銑刀表面沉積ー層晶粒尺寸I 2 ii m的MCD薄膜；
第三步，在熱絲和刀具基體之間施加負偏壓，使正離子形成定向流動，轟擊薄膜表面0. 5h,在反應腔內引入流量為60sccm的！！氣,將丙酮流量提高至120sccm,反應壓カ降至lOTorr，偏流值為-L5A;第四歩，將沉積MCD塗層的單刃銑刀從熱絲CVD反應室中取出，置於純丙酮溶液，超聲波清洗20分鐘，待其完全乾燥後放入PVD反應室裝夾固定；第五歩，首先將反應室本底真空抽至2X 10_6Torr，隨後引入Ar氣，調節氣體流量，將反應室真空度保持在4X10_2Torr，運用正負脈衝離子電源對單刃銑刀表面進行離子轟擊和電離提純活化，功率35kW，刀具偏壓-2000V，持續30分鐘；第六步,調節Ar氣流量,將反應室的真空度調至4X 10_3Torr,開啟石墨離子源,調節離子源/磁流至60A，刀具偏壓設為-1500V，反應時間90分鐘，可在MCD薄膜表面獲得厚度為2 3 ii m、表面光滑平整、具有良好的膜-基附著強度的DLC薄膜； 第七歩，隨爐冷卻30分鐘後取出，即可製備獲得具有優異膜-基附著強度及光滑表面質量的碳纖維複合材料加工用CVD金剛石/類金剛石複合塗層單刃銑刀。採用上述方法製備的CVD金剛石/類金剛石複合塗層單刃銑刀在碳纖維複合材料的修邊加工過程中，工作壽命可比傳統硬質合金銑刀提高5 8倍左右，且加工表面無分層、撕裂等明顯缺陷。加工過程中，銑刀表面的CVD金剛石/類金剛石複合塗層未發生脫落，表現出良好的膜基附著強度。
權利要求
1.一種複雜形狀CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具製備方法，其特徵在於，包括如下步驟 步驟一採用熱絲CVD法在經過預處理後的複雜形狀整體式硬質合金刀具表面沉積一層MCD薄膜； 步驟二 採用磁控等離子濺射法在塗覆了 MCD薄膜的塗層刀具表面繼續沉積一層DLC薄膜，即可。
2.根據權利要求I所述的複雜形狀CVD金剛 石/類金剛石複合塗層刀具製備方法，其特徵在於，所述步驟一中的預處理採用酸鹼兩步法。
3.根據權利要求I所述的複雜形狀CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具製備方法，其特徵在於，所述步驟一中沉積MCD薄膜的過程具體包括形核階段、生長階段和負偏壓離子轟擊階段。
4.根據權利要求3所述的複雜形狀CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具製備方法，其特徵在於，所述形核階段採用的沉積工藝參數為丙酮流量為70 85sCCm、氫氣流量為200 220sccm，硼碳原子比為3000 3500 lppm，反應氣體壓力為17. 5 18. 5Torr，偏流為3. 0 3. 5A，沉積時間為0. 5h。
5.根據權利要求3所述的複雜形狀CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具製備方法，其特徵在於，所述生長階段採用的沉積工藝參數為反應氣體壓力為35 40Torr，偏流為2.8 3. 0A，沉積時間為5 8h。
6.根據權利要求3所述的複雜形狀CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具製備方法，其特徵在於，所述負偏壓離子轟擊階段採用的沉積工藝參數為丙酮、氫氣、氬氣流量分別為120 150sccm、200 220sccm、60 150sccm，硼碳原子比為 3000 3500 lppm，反應氣體壓力為10 15Torr，偏流為-I. 5A，沉積時間為0. 5h。
7.根據權利要求I所述的複雜形狀CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具製備方法，其特徵在於，所述步驟二中沉積DLC薄膜的過程具體包括離子轟擊清洗及表面電離提純活化階段以及DLC薄膜生長階段。
8.根據權利要求7所述的複雜形狀CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具製備方法，其特徵在於，所述離子轟擊清洗及表面提純活化階段採用的工藝參數為反應氣體壓力為4X1(T2 5X KT2Torr,功率為30 35kW，刀具偏壓為-2000V，持續時間為30分鐘。
9.根據權利要求7所述的複雜形狀CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具製備方法，其特徵在於，所述DLC薄膜生長階段採用的工藝參數為離子源/磁流強度為60A，反應氣體壓力為4X10。 5 X KT3Torr,刀具偏壓為-1500V，持續時間為90 150分鐘。
全文摘要
本發明公開了一種複雜形狀CVD金剛石/類金剛石複合塗層刀具的製備方法。採用熱絲CVD法在刀具表面沉積一層MCD薄膜，在沉積過程中採用負偏壓產生離子轟擊保證MCD薄膜具有光滑表面；隨後繼續沉積一層DLC薄膜，在初始階段，用正負脈衝離子電源對塗覆了MCD薄膜的刀具表面進行離子轟擊，以清除刀具表面的雜質，並去除塗層表面尖銳的晶粒稜角，增加塗層平整度，提高塗層表面活性，達到增強層間附著強度的效果。採用本發明的製備方法能夠在具有複雜形狀表面的整體式硬質合金刀具表面沉積獲得具有優異膜-基附著強度、表面耐磨減摩及自潤滑特性的CVD金剛石/類金剛石複合塗層，該複合塗層還具有內應力低、表面光滑平整、厚度均勻等特點。
文檔編號C23C14/35GK102650053SQ20121012433
公開日2012年8月29日 申請日期2012年4月25日 優先權日2012年4月25日
發明者孫方宏, 張志明, 沈彬, 阮華權, 顧寶龍 申請人:上海交通大學, 上海澳尼森特種表面處理技術有限公司