一种具有二硼化钛‑金刚石复合涂层的工件及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有二硼化钛‑金刚石复合涂层的工件，包括工件基体，以及依次设置于所述工件基体表面的二硼化钛涂层和金刚石涂层。本发明专利技术通过在金刚石涂层与工件基体之间设置二硼化钛涂层，提高了金刚石涂层与工件基体之间的结合力，解决了金刚石涂层与基体结合力不足，金刚石薄膜形核密度低和沉积速度慢的问题。本发明专利技术还提供一种具有二硼化钛‑金刚石复合涂层的工件的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件及其制备方法
本专利技术涉及金刚石涂层制备
，特别是涉及一种具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件及其制备方法。
技术介绍
金刚石涂层硬质合金刀具由于具有优异的性能而受到人们的广泛关注，但由于金刚石涂层与硬质合金刀具之间的粘合力不足，从而极大阻碍了该刀具的应用，成为工业发展中的主要瓶颈。而导致金刚石薄膜在切削刀具上的粘附性不足的主要原因有：(1)硬质合金基体中的粘结剂Co抑制金刚石生长，而有利于粘附性差的石墨沉积；(2)在金刚石薄膜与基体的界面上，金刚石晶粒与基体之间存在微小孔隙，这些微小孔隙的存在，减少了金刚石薄膜与基体的接触面积，削弱了薄膜与基体间的结合力；(3)金刚石膜与基体材料之间热膨胀系数相差很大，并且两者之间存在较强的残余热应力，特别是硬质合金刀具较为尖锐的刀刃部位，造成薄膜与基体分层。目前，为提高金刚石涂层与硬质合金基体粘附性主要有两条途径：一是采用表面脱Co处理；二是在金刚石涂层与硬质合金之间沉积合适的中间层，以阻止基体中的钴向表面扩散。表面脱Co处理法虽然在一定程度上能够改善金刚石涂层与基体粘着性，但基体中Co的缺失会大大降低基体本身的硬度、强度、弹性模量等性能，因而，硬质合金表面所沉积生成的金刚石薄膜也无法满足实际的需求。而现有设置中间层的方法大都制备过程复杂，且金刚石涂层与硬质合金刀具之间的粘附力提高有限。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术第一方面提供了一种具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件，通过在金刚石涂层与工件基体之间设置二硼化钛涂层，解决了金刚石涂层与基体结合力不足，金刚石薄膜形核密度低和沉积速度慢的问题。第一方面，本专利技术提供了一种具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件，包括工件基体，以及依次设置于所述工件基体表面的二硼化钛涂层和金刚石涂层。本专利技术通过在工件基体表面与金刚石涂层之间设置二硼化钛层，二硼化钛作为中间层，填充了基体表面组织结构不连续区域；同时能够提高后续金刚石薄膜的生长速度以及沉积过程中的形核密度，极大促进金刚石薄膜的生长。此外，采用二硼化钛作为中间层，能够有效提高金刚石涂层与刀具基体之间的结合力，即使在刀具刀刃部分也能得到结合强度高、均匀致密的金刚石薄膜。可选地，所述二硼化钛涂层的厚度为20-500nm，所述二硼化钛涂层的晶粒为超细纳米晶，晶粒尺寸为20-50nm。进一步可选地，所述二硼化钛涂层的厚度为80-200nm。适合的二硼化钛涂层厚度能够完美的阻挡住钴向基体表面扩散，而且不会引起由于中间层过厚使金刚石与基体之间的结合强度的减弱。所述金刚石涂层的厚度为2-8μm，进一步地厚度为4-6μm，所述金刚石涂层的晶粒为纳米级别(即100nm以内)或微米级别(即1-5微米)，具体可以是10-80nm、1-4微米。当涂层中金刚石晶粒为纳米级别时，涂层中石墨相增加，涂层的断裂韧性更高；当涂层中金刚石晶粒为微米级别时，涂层硬度、强度会更高。不同结构性能可以满足人们对工件的不同需求。所述工件基体的材质可以是硬质合金、不锈钢、氮化硅或碳化硅。工件基体可以是刀具或其他工具(如模具)、机械零部件等。所述二硼化钛涂层采用物理气相沉积(PVD)方式制备得到，所述金刚石涂层采用热丝气相沉积的方式制备得到。PVD所生长的二硼化钛涂层能够有效阻挡基体向表面扩散的金属钴，消除金属钴对石墨的催化作用，从而有利于获得结合力良好、金刚石纯度高、晶型好的金刚石涂层。本专利技术第一方面提供的具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件，通过在金刚石涂层与工件基体之间设置二硼化钛涂层，提高了金刚石涂层与工件基体之间的结合力，解决了金刚石涂层与基体结合力不足，金刚石薄膜形核密度低和沉积速度慢的问题。第二方面，本专利技术提供了一种具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件的制备方法，包括以下步骤：提供工件基体，对所述工件基体进行前处理；所述前处理包括对所述工件基体进行喷砂处理，然后分别采用丙酮和乙醇超声清洗；或对所述工件基体进行化学刻蚀处理；采用物理气相沉积的方式在所述工件基体上制备二硼化钛涂层，再采用热丝气相沉积的方式在所述二硼化钛涂层上制备金刚石涂层，得到具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件。所述化学刻蚀处理包括进行8-15分钟的碱洗以及5-15秒的酸洗处理。本专利技术中，所述采用物理气相沉积的方式制备二硼化钛涂层的沉积条件为：以二硼化钛为靶材，施加靶材的功率为2.2-2.7kW，靶材与样品之间间距为70厘米，沉积气压为0.9-1.2Pa，腔内温度为320-380℃，基体架所加偏压为150V，偏流为1.0-1.5A。可选地，沉积过程中基体架旋转速度为20转/分钟，旋转方向为顺时针方向，沉积时间为20分钟。所述沉积二硼化钛涂层之前先对所述工件基体进行离子源清洗，所述离子源清洗的参数为：氩气(Ar)充当离子源，功率为1.6-1.9kW；腔内气压为0.9-1.2Pa，腔内温度为320-380℃；基体架转速为20转/分钟，清洗时间为20分钟。所述采用热丝气相沉积的方式制备金刚石涂层的沉积条件为：以氢气和甲烷为反应气体，甲烷占总气体体积范围为0.6％-2％，真空室气压范围为3-10kPa；灯丝温度范围为1800-2800℃，基体温度范围为700-1000℃；处理时间为1-4h，制备得到金刚石涂层，所述金刚石涂层的晶粒为微米级别。所述采用热丝气相沉积的方式制备金刚石涂层的沉积条件为：以氢气和甲烷为反应气体，甲烷占总气体体积范围为3％-6％，真空室气压范围为0.5-4kPa；灯丝温度范围为1500-2400℃，基体温度范围为500-800℃；处理时间为1-4h，制备得到金刚石涂层，所述金刚石涂层的晶粒为纳米级别。在制备完所述二硼化钛涂层之后，制备所述金刚石涂层之前进一步包括对所述工件基体进行喷砂处理，然后分别采用丙酮和乙醇超声清洗，以获得更好的沉积制备金刚石涂层的表面。本专利技术提供的具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件的制备方法，采用物理气相沉积与热丝化学气相沉积相结合，工艺简单，其中二硼化钛涂层的制备时间只有约20分钟，所用PVD设备能实现自动化生产，且制备过程中不需要用到易燃、易爆、有毒气体，具有高效快捷、安全、自动化生产的优势。本专利技术的优点将会在下面的说明书中部分阐明，一部分根据说明书是显而易见的，或者可以通过本专利技术实施例的实施而获知。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件的横截面结构示意图；图2为本专利技术实施例1制备的具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件的横截面高倍扫描电镜图；图3为本专利技术实施例1中二硼化钛-金刚石复合涂层的压痕图；图4为本专利技术实施例1制备的在二硼化钛涂层上热丝气相沉积10分钟后的高倍扫描电镜图。具体实施方式以下所述是本专利技术实施例的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本专利技术实施例的保护范围。下面分多个实施例对本专利技术实施例进行进一步的说明。其中，本专利技术实施例不限定于以下的具体实施例。在不变主权利的范围内，可以适当的进行变更实施。实施例1一种具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件的制备方法，包括以下步骤：第一步：以市售碳化硅硬质合金刀片作为基体，对基体进行白刚玉湿喷砂处理本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有二硼化钛‑金刚石复合涂层的工件，其特征在于，包括工件基体，以及依次设置于所述工件基体表面的二硼化钛涂层和金刚石涂层。

【技术特征摘要】
1.一种具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件，其特征在于，包括工件基体，以及依次设置于所述工件基体表面的二硼化钛涂层和金刚石涂层。2.如权利要求1所述的具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件，其特征在于，所述二硼化钛涂层的厚度为20-500nm，所述二硼化钛涂层的晶粒为超细纳米晶。3.如权利要求1所述的具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件，其特征在于，所述金刚石涂层的厚度为2-8μm，所述金刚石涂层的晶粒为纳米或微米级别。4.如权利要求1所述的具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件，其特征在于，所述工件基体的材质为硬质合金、不锈钢、氮化硅或碳化硅。5.如权利要求1所述的具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件，其特征在于，所述二硼化钛涂层采用物理气相沉积方式制备得到，所述金刚石涂层采用热丝气相沉积的方式制备得到。6.一种具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：提供工件基体，对所述工件基体进行前处理；所述前处理包括对所述工件基体进行喷砂处理，然后分别采用丙酮和乙醇超声清洗；或对所述工件基体进行化学刻蚀处理；采用物理气相沉积的方式在所述工件基体上制备二硼化钛涂层，再采用热丝气相沉积的方式在所述二硼化钛涂层上制备金刚石涂层，得到具有二硼化钛-金刚石复合涂层的工件。7.如权利要求6所...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，王陶，张松全，蒋春磊，陈光海，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44