金剛石塗層硬質合金刀具及其製備方法
2023-05-20 03:02:21 3
專利名稱：金剛石塗層硬質合金刀具及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種刀具的製備方法，尤其是涉及一種金剛石塗層硬質合金刀具及其製備方法。
背景技術：
在硬質合金刀具基體上沉積金剛石的一大難點就是鈷(Co)的存在。由於碳(C) 在鈷(Co)中的溶解性大、擴散係數高，不利於金剛石形核，會促進石墨相的形成，嚴重影響塗層結合力，造成塗層生長困難和塗層易脫落。目前常見的解決途徑是在塗層前對刀具基體進行化學蝕鈷(Co)處理。化學蝕鈷 (Co)的方法是利用化學試劑對硬質合金刀具基體進行蝕鈷(Co)處理，去除表面鈷(Co)元素，能夠有效避免鈷(Co)元素對金剛石形核及生長的影響。但該方式應用在硬質合金刀具上時存在較大缺陷，主要表現為表面蝕鈷(Co)之後刀具基體強度大幅度下降，應用在微型硬質合金刀具上時由於強度的下降造成刀具極易斷刀，嚴重影響了金剛石塗層微型刀具的使用性能。因此，還需進一步的改進。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種能金剛石塗層硬質合金刀具及其製備方法，該刀具能在消除鈷元素對金剛石塗層的不利影響的同時兼顧刀具基體本身的強度。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的—種金剛石塗層硬質合金刀具，包括刀具基體和設置在該刀具基體表面的金剛石塗層，在所述刀具基體上設有過渡層。還提供一種金剛石塗層硬質合金刀具的製備方法，包括基體預處理步驟和金剛石沉積步驟；所述預處理步驟包括在刀具基體上形成過渡層。本發明旨在進行金剛石塗層前，在刀具基體上製備過渡層，實現在不影響刀具本身強度的情況下有效阻止鈷(Co)元素擴散，避免鈷(Co)元素造成金剛石塗層形核及生長困難，從而達到獲取高質量金剛石塗層的目的。採用過渡層的預處理方法由於不去除硬質合金的粘結相——鈷(Co)，因此對刀具本身強度不會有影響。
圖1是第一種實施方式金剛石塗層硬質合金刀具製備方法的流程圖；圖2是第一種實施方式金剛石塗層硬質合金刀具的放大示意圖；圖3是第二種實施方式金剛石塗層硬質合金刀具製備方法的流程圖；圖4是第二種實施方式金剛石塗層硬質合金刀具的放大示意圖；圖5是第三種實施方式金剛石塗層硬質合金刀具製備方法的流程圖；圖6是第三種實施方式金剛石塗層硬質合金刀具的放大示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述。本發明在進行金剛石塗層前，在刀具基體上製備過渡層，有兩種途徑實現離子注入和物理氣相沉積。過渡層預處理手段進行金剛石塗層流程可為三個途徑第一，離子注入-過渡層質量檢驗-金剛石塗層製備；第二，物理氣相沉積過渡層-過渡層質量檢驗-金剛石塗層製備；第三，離子注入-物理氣相沉積過渡層-過渡層質量檢驗-金剛石塗層製備。第一實施方式包括以下步驟，如圖1所示110、離子注入；採用設備高功率離子注入機；真空度1. 0E-4 9. 0E-2pa,優選 1. 3E_3pa ；離子注入能量20 400kev,例如，58kev、96kev、134kev、172kev、210kev、 248kev,286kev,300kev,324kev,362kev ；刀具基體要求注入前最好進行高度清潔、脫脂， 利於離子注入步驟的進行；注入過程中要求旋轉和換位，均勻的進行表面離子注入。注入時間不同材料注入速率、束流及能量不同，注入時間以過渡層達到後續檢驗要求為準。注入材料非金屬材料-矽(Si)、硼(B)、磷(P)、氮(N)以及金屬材料-鎢(W)、鈦 (Ti)、鉬(Mo)、錫(Sn)、鉻(Cr)、鎳(Ni)。矽(Si)離子注入硬質合金可改變刀具基體表面成分，降低鈷(Co)元素蒸汽壓，起到阻隔鈷(Co)滲出影響金剛石形核，並且矽(Si)單質表面更易於金剛石形核和生長。矽離子的注入使硬質合金的部分WC共價鍵斷裂，局部形成碳(C)元素富集，形成部分的碳化矽(SiC)，化合物的形成對於過渡層與刀具基體的結合比較有利。硼(B)、磷(P)離子注入硬質合金刀具基體材料均易與鈷(Co)元素形成穩定化合物，從而很大程度上降低了鈷(Co)元素對金剛石形核的影響。氮(N)離子注入採用氣體作為激發材料產生等離子體，經高壓場(如40kv以上) 加速注入硬質合金刀具基體表面，針對不同鈷含量硬質合金材料，適當控制注入量，實現硬質合金刀具基體表面改性。金屬材料注入可達到改變表面成分，降低鈷(Co)元素蒸汽壓，同時金屬元素良好的粘結性和韌性更適宜於作為過渡層的應用。金屬元素中，鉬(Mo)和鎢(W)元素表面金剛石形核率相對較高，有效注入硬質合金刀具基體表面後在起到降低鈷(Co)元素影響的同時，更有利於金剛石形核及生長，是作為注入材料的優選材料。以上材料採用離子注入的方式能夠對硬質合金刀具基體材料表面進行表面改性， 改性機理各異，根據後續金剛石塗層需求，注入深度均需至少達到20nm以上，以確保阻止鈷元素對金剛石形核不利影響的持續有效性，避免在沉積金剛石時深層鈷元素滲透出表面改性層，從而在沉積後期對金剛石塗層造成破壞性影響。離子注入可有效改變硬質合金刀具基體表面組織結構及元素種類和含量，部分形成鈷(Co)的化合物，降低鈷(Co)元素的百分比，大大降低鈷(Co)的蒸氣壓，減少鈷(Co)的擴散及對金剛石塗層的不利影響。同時，離子注入過程中，高能離子高速撞擊刀具基體表面，對表面殘餘雜質有一定的濺射作用，起到表面清潔作用，這對下一步塗層與刀具基體的結合力提高非常有利。120、過渡層質量檢驗；刀具樣品刃口無超標缺口，表面無明顯缺陷；檢測離子注入深度，需達到20nm以上，例如2aim、24nmJ6nm、28nm、30nm、3aim、 34nm、36nm、38nm、40nm ；利用能譜檢測刀具基體表面鈷(Co)元素含量及分布情況，以降至0. 以下為理想情況，該步驟在刀具基體上形成離子注入過渡層，見圖2。130、金剛石塗層製備。金剛石塗層製備可採用熱絲CVD (Chemical Vapor D印osition，化學氣相沉積) 法、微波等離子法等。利用合理的工藝在微型硬質合金刀具表面過渡層上製備高質量金剛石塗層，塗層結構如圖2。第二實施方式包括以下步驟，如圖3所示210、物理氣相沉積過渡層；採用設備磁控濺射設備、磁過濾等離子體沉積設備等物理氣相沉積設備；過渡層材料碳化矽(SiC)、氮化矽(Si3N4)、碳化鎢(WC)、鉬(Mo)、鎢(W)；碳化矽 (SiC)、四氮化三矽(Si3N4)、碳化鎢(WC)等化合物、鉬(Mo)、鎢(W)金屬單質是比較理想的硬質合金刀具金剛石塗層前過渡層物質。熱膨脹係數均介於金剛石(3. 1X10-6)與硬質合金 7. 1X10-6)之間，作為中間銜接層，相當於減小了金剛石塗層與刀具基體之間熱膨脹係數的差異，有利於提高二者的結合力，有效降低塗層脫落的風險。較高的導熱係數有助於減少熱量積累，減少熱應力的產生，對於後期金剛石成膜及提高金剛石膜質量有著良好的促進作用。真空度1.0E-4 9. 0E_2pa，優選 1. 3E_3pa ；刀具基體要求注入前必須進行高度清潔、脫脂；注入過程中要求旋轉和換位，均勻的進行表面塗層沉積；塗層厚度要求達到 1 !Bum，例如，1. 2um、l. 4um、l. 6um、l. 8um、2. 0um、2. 2um、 2. 4um、2. 6um、2. 8um,優選為 3. Oum0220、過渡層質量檢驗；刀具樣品刃口無超標缺口、表面明顯缺陷；檢測塗層表面質量，無粗大顆粒等缺陷，無開裂及脫落等現象，是否完全覆蓋刀具工作部分；檢測塗層厚度，是否達到1 3um，且徑向、軸向厚度均勻；該步驟在刀具基體表面形成物理氣相沉積過渡層，見圖4。230、金剛石塗層製備。金剛石塗層製備可採用熱絲CVD法、微波等離子法等。利用合理的工藝在微型硬質合金刀具表面過渡層上製備高質量金剛石塗層，塗層結構如圖4。第三實施方式包括以下步驟，如圖5所示310、離子注入
採用設備高功率離子注入機；注入材料非金屬材料矽(Si)、硼(B)、磷(P)、氮(N)以及金屬材料W(鎢)、 T i (鈦)、Mo (鉬)、Sn (錫)、Cr (鉻)、N i (鎳)；真空度1.0E-4 9. 0E_2pa，優選 1. 3E_3pa ；離子注入能量20 400kev,例如，58kev、96kev、134kev、172kev、210kev、 248kev、286kev、300kev、324kev、362kev ；刀具基體要求注入前必須進行高度清潔、脫脂；注入過程中要求旋轉和換位，均勻的進行表面離子注入；注入時間不同材料注入速率、束流及能量不同，注入時間以過渡層達到後續檢驗要求為準。該步驟在刀具基體上形成離子注入過渡層，見圖6。320、物理氣相沉積過渡層；採用設備磁控濺射設備、磁過濾等離子體沉積設備等物理氣相沉積設備；過渡層材料碳化矽(SiC)、四氮化三矽(Si3N4)、碳化鎢(WC)、鉬(Mo)、鎢(W)；真空度1.0E-4 9. 0E_2pa，優選 1. 3E_3pa ；刀具基體要求注入前必須進行高度清潔、脫脂；注入過程中要求旋轉和換位，均勻的進行表面塗層沉積；塗層厚度要求達到 1 :3um，例如，1. 2um、l. 4um、l. 6um、l. 8um、2. 0um、2. 2um、 2. 4um、2. 6um、2. 8um,優選為 3. Oum0該步驟在刀具基體表面形成物理氣相沉積過渡層，見圖6。330、過渡層質量檢驗；檢測離子注入深度，需達到20nm以上，例如2aim、24nmJ6nm、28nm、30nm、3aim、 34nm、36nm、38nm、40nm ；刀具樣品刃口無超標缺口，表面無明顯缺陷；檢測塗層表面質量，無粗大顆粒等缺陷，無開裂及脫落現象，是否完全覆蓋刀具工作部分；檢測塗層厚度，是否達到1 3um，且徑向、軸向厚度均勻；塗層厚度例如，1. 2um、 1. 4um、l. 6um、l. 8um、2. 0um、2. 2um、2. 4um、2. 6um、2. 8um,優選為 3. Oum。；340、金剛石塗層製備。金剛石塗層製備可採用熱絲CVD法、微波等離子法等。利用合理的工藝在微型硬質合金刀具表面過渡層上製備高質量金剛石塗層，塗層結構如圖6。通過這三種途徑進行刀具基體過渡層預處理，可以基本消除鈷(Co)元素不利影響，生長出高質量的金剛石塗層，塗層結合力及硬度方面均達到很高的水平，同時保持了刀具基體原有的強度，抗斷刀性能遠遠優於化學蝕鈷(Co)處理的金剛石塗層刀具。本發明還提供一種金剛石塗層硬質合金刀具，包括刀具基體和設置在該刀具基體表面的金剛石塗層，在所述刀具基體和該金剛石塗層之間設置過渡層。第一種實施方式，見圖2，所述過渡層的材料是以下材料之一矽(Si)、硼(B)、磷 (P)、氮(N)、鎢(W)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、錫(Sn)、鉻(Cr)或鎳(Ni)。該實施方式中的刀具基體表面形成離子注入過渡層。
第二種實施方式，見圖4，所述過渡層的材料是以下材料之一碳化矽(SiC)、四氮化三矽(Si3N4)、碳化鎢(WC)、鉬(Mo)或鎢(W)。該實施方式中的刀具基體表面形成物理氣相沉積過渡層。第三種實施方式，見圖6，所述過渡層有兩層，第一層的材料是以下材料之一矽 (Si)、硼(B)、磷(P)、氮(N)、鎢(W)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、錫(Sn)、鉻(Cr)或鎳(Ni)。該過渡層是形成在刀具基體上的離子注入過渡層。第二層的材料是以下材料之一碳化矽(SiC)、 四氮化三矽(Si3N4)、碳化鎢(WC)、鉬(Mo)或鎢(W)。該過渡層是在刀具基體表面形成物理氣相沉積過渡層。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種金剛石塗層硬質合金刀具，包括刀具基體和設置在該刀具基體表面的金剛石塗層，其特徵在於，在所述刀具基體上設有過渡層。
2.根據權利要求1所述的金剛石塗層硬質合金刀具，其特徵在於，所述過渡層的材料是以下第一組材料之一和/或第二組材料之一；第一組材料矽(Si)、硼(B)、磷(P)、氮 (N)、鎢(W)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、錫(Sn)、鉻(Cr)、鎳(Ni)；第二組材料碳化矽(SiC)、四氮化三矽(Si3N4)、碳化鎢(WC)、鉬(Mo)、鎢(W)。
3.一種金剛石塗層硬質合金刀具的製備方法，包括基體預處理步驟和金剛石沉積步驟；其特徵在於所述預處理步驟包括在刀具基體上形成過渡層。
4.根據權利要求3所述的金剛石塗層硬質合金刀具的製備方法，其特徵在於，所述過渡層是採用離子注入方式形成於所述刀具基體上，所述過渡層的材料是矽(Si)、硼(B)、磷 (P)、氮(N)、鎢(W)、鈦(Ti)、鉬(Mo)、錫(Sn)、鉻(Cr)、鎳(Ni)之一。
5.根據權利要求4所述的金剛石塗層硬質合金刀具的製備方法，其特徵在於，所述離子注入方式的真空度為1. 0E-4 9. 0E-2pa，離子注入能量為20 400kev。
6.根據權利要求5所述的金剛石塗層硬質合金刀具的製備方法，其特徵在於，所述預處理步驟還包括過渡層質量檢驗，檢驗標準包括離子注入深度需達到20nm以上；刀具基體表面鈷(Co)元素含量降至0. 以下。
7.根據權利要求3或4所述的金剛石塗層硬質合金刀具的製備方法，其特徵在於，所述過渡層的材料是碳化矽(SiC)、四氮化三矽(Si3N4)、碳化鎢(WC)、鉬(Mo)、鎢(W)之一，所述過渡層採用物理氣相沉積方式形成於刀具基體上。
8.根據權利要求7所述的金剛石塗層硬質合金刀具的製備方法，其特徵在於，所述物理氣相沉積方式的真空度1. 0E-4 9. 0E-2pa，塗層厚度要求達到1 3um。
9.根據權利要求8所述的金剛石塗層硬質合金刀具的製備方法，其特徵在於，所述預處理步驟還包括過渡層質量檢驗，檢驗標準包括檢測塗層厚度，是否達到1 3um，且徑向、軸向厚度均勻。
10.根據權利要求3所述的金剛石塗層硬質合金刀具的製備方法，其特徵在於，所述基體預處理步驟包括在所述形成過渡層之前對所述刀具基體進行高度清潔、脫脂。
全文摘要
本發明公布了一種金剛石塗層硬質合金刀具及其製備方法，其中刀具包括刀具基體和設置在該刀具基體表面的金剛石塗層，在所述刀具基體上設有過渡層。其中製備方法包括基體預處理步驟和金剛石金剛石沉積步驟；所述預處理步驟包括在基體上形成過渡層。該刀具能在避免鈷元素對金剛石塗層的不利影響的同時兼顧刀具基體本身的強度。
文檔編號C23C14/06GK102248187SQ20111014719
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者唐傑, 屈建國, 羅春峰, 陳成 申請人:深圳市金洲精工科技股份有限公司