一种在聚晶金刚石复合片上沉积CVD金刚石涂层的方法技术

本发明专利技术涉及一种在聚晶金刚石复合片上沉积CVD金刚石涂层的方法，包括以下步骤：(1)取聚晶金刚石复合片机械打磨，酸洗，再超声振荡清洗，烘干，得到预处理的聚晶金刚石复合片基底；(2)取预处理后的聚晶金刚石复合片基底置入微波等离子化学气相沉积设备中，在真空条件下，通入氢气至反应体系为100％氢气气氛，使聚晶金刚石复合片基底表面被氢气刻蚀；(3)再通入CH4气体，沉积CVD金刚石涂层，完成后冷却至室温，即完成CVD金刚石涂层的沉积；在通入CH4气体时还可以同时通入氩气。与现有技术相比，本发明专利技术的CVD金刚石涂层与聚晶金刚石复合片的膜基界面的结合强度高，不会发生粘结剂热胀冷缩和氧化所产生的热龟裂裂纹导致工具失效的问题等。

Method for depositing CVD diamond coating on polycrystalline diamond composite sheet

The invention relates to a method for depositing CVD diamond coating on polycrystalline diamond composite sheet, which comprises the following steps: (1) the PDC mechanical polishing, pickling, cleaning and drying, ultrasonic oscillation, are polycrystalline diamond substrate pretreatment; (2) obtained after pretreatment of polycrystalline diamond composite film the substrate in a microwave plasma chemical vapor deposition equipment, under vacuum, introducing hydrogen to the reaction system of 100% hydrogen atmosphere, the polycrystalline diamond composite substrate surface by hydrogen etching; (3) then the CH4 gas, CVD diamond coating deposition, after cooling to room temperature, complete the deposition of CVD diamond coating in CH4; pass into the gas can also pass into the argon. Compared with the prior art, the invention of the film substrate interface of CVD diamond coating and polycrystalline diamond composite sheet with high strength, thermal expansion and contraction cracks will not happen and binder produced by the oxidation of lead to tool failure problems.

【技术实现步骤摘要】
一种在聚晶金刚石复合片上沉积CVD金刚石涂层的方法
本专利技术涉及超硬材料的制备，尤其是涉及一种在聚晶金刚石复合片上沉积CVD金刚石涂层的方法。
技术介绍
通过微波等离子体设备可以在硬质合金基体上通过化学气相沉积的方式沉积金刚石涂层，研究者通过一定规模的实验得到了较好的工艺参数，对于温度、压强、气体浓度的控制做到了较好的研究。但是通过调整工艺参数，往往一定程度上是对沉积涂层质量的控制。在以硬质合金为基体的试验中，金刚石涂层和基体之间结合性能往往很差，在反应结束阶段，取出试样时，涂层很容易发生脱落。究其根本原因，还是硬质合金与金刚石两种材料之间的热膨胀系数不同。聚晶金刚石复合片是一种新型超硬材料，由0.1mm至数毫米厚的金刚石微粉与1mm至数毫米厚的硬质合金基底(衬底)在超高压高温条件下复合而成。聚晶金刚石复合片热稳定性下降的主要因素并不是在受热过程中金刚石发生了氧化/石墨化反应，而是粘接剂Co热胀冷缩和氧化所产生的热龟裂裂纹导致了PDC刀具机械性能的降低。聚晶金刚石复合片中Co存在3种分布形式：金刚石间的球粒状Co颗粒，“Co岛”，叶脉状的Co分布。这3种分布形式对应着3种不同的热龟裂裂纹，其中以叶脉状分布的Co对PDC刀具的热损伤影响最大。提高聚晶金刚石复合片热稳定性的方法一是尽量减少粘接剂Co的含量并使其与金刚石微粒充分均匀混合，甚至做到无粘接剂Co，从而使金刚石以D-D键结合，减少金刚石晶粒间Co叶脉状分布的可能；二是热处理后的刀具表面进行抛光处理，减少Co在金刚石表面的突出。因此可以看出粘结相Co的存在使得聚晶金刚石的性能一定程度上会产生影响。聚晶金刚石复合片由两部分组成，一部分是作为工作体即耐磨层的金刚石层，另一部分是作为基体的硬质合金。常用的制作方法为:把聚晶金刚石磨粒与粘接剂按一定比例混合，放在硬质合金基体上，在高温高压下烧结而成，烧结温度约为1500℃，压力约为6GPa。粘结剂主要包括Co、Ni、Fe等金属粘结剂，同时也会使用含有Si元素的陶瓷材料粘结剂。在圆形试样表面按照圆周方向均匀取五个测试点，并测其组成成分。聚晶金刚石片是由金刚石粉末和粘结剂热压而成。因此其组成中主要是C元素(Fe、Ni、Si的含量极低，可以忽略)。有文献认为，钴是金属中与碳相容性最好的金属之一，钴的润湿角θ＝50～70°，能够润湿金刚石和石墨。冶金部钢铁研究总院的王凤荣等人通过实验分析发现在金刚石-钴界面上有Co3C相和Co-C的固溶体存在，它们的形成引起强烈的界面键合作用。另外β-Co、α-Co相变导致附加体收缩伴随着相变点附近钴的延伸率的异常增高，从而有效的改善了胎体对金刚石的机械镶嵌程度。聚晶金刚石复合片的破坏形式主要为金刚石层的脱落和破损,原因应归结为金刚石层和硬质合金之间,以及金刚石层内部金刚石与粘结剂之间物理化学性质的差异,导致其热稳定性较差。复合片加工和工作过程中的温度变化,在复合片的内部就会有残余应力的产生,一旦受力，导致失效。因此，如何对聚晶金刚石复合片进行处理，防止其中的金刚石层与硬质合金基体脱落而失效是本专利技术所要解决的一个重要的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种在聚晶金刚石复合片上沉积CVD金刚石涂层的方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种在聚晶金刚石复合片上沉积CVD金刚石涂层的方法，包括以下步骤：(1)取聚晶金刚石复合片机械打磨，酸洗，再超声振荡清洗，烘干，得到预处理的聚晶金刚石复合片基底；(2)取预处理后的聚晶金刚石复合片基底置入微波等离子化学气相沉积设备中，在真空条件下，通入氢气至反应体系为100％氢气气氛，使聚晶金刚石复合片基底表面被氢气刻蚀；(3)再通入CH4气体，沉积CVD金刚石涂层，完成后冷却至室温，即得到在聚晶金刚石复合片上完成CVD金刚石涂层的沉积。优选的，步骤(1)中的酸洗为将聚晶金刚石复合片放入15％HNO3溶液中，腐蚀10～20min。优选的，步骤(1)中的超声振荡清洗的工艺具体为：在含有金刚石微粉的丙酮或乙醇悬浮液中，超声震荡清洗20-40min。优选的，步骤(2)中氢气刻蚀时的气压为0.8-1.5Kpa。更优选的，步骤(2)中氢气刻蚀时的气压为1Kpa。优选的，步骤(3)中通入CH4气体和H2的流量满足：CH4和H2的体积比为1-3:58。更优选的，步骤(3)中在沉积CVD金刚石涂层前，还同时通入了氩气，其引入量满足Ar与H2的体积比为38-42:58。氩气的引入一方面不仅有利于维持低压放电，而且改善放电状态，提高反应活性基浓度和活性，提高低温沉积金刚石膜的质量；另一方面，由于其大的电离截面使其和电子碰撞的几率大大提高，对等离子体进行冷却，有利于基片温度的降低。优选的，步骤(3)中沉积的工艺条件为：沉积气压为0.8-1.5Kpa，微波功率500-700W，沉积时间为8-10h。优选的，所述的聚晶金刚石复合片由金刚石粉末和粘结剂Co热压而成。本专利技术基于图1所示的设计思路，通过在聚晶金刚石基体上通过CVD的方法进行金刚石涂层的沉积，一方面，聚晶金刚石复合片在成分上与金刚石涂层相同，在生长的过程中可以实现同质外延生长，因此膜基界面的结合强度相比于硬质合金基体会有很大程度的提升。另一方面，我们通过化学气相沉积方法得到的金刚石涂层成分上相比于聚晶金刚石片，不含有任何的金属粘结相，譬如Co。同时，本专利技术还提供了一种聚晶金刚石复合片基底CVD金刚石涂层沉积工艺方法，其通过前期的预处理方法去除聚晶金刚石表面不利于金刚石涂层沉积的因素(Co元素)，同时使得金刚石颗粒裸露出来，使得沉积过程中达到同质外延生长的效果。为后续在基体上沉积金刚石涂层提供有利的条件。同时为了消除Co给金刚石沉积过程中带来的不利影响，预处理的方式采用酸洗和氢等离子体刻蚀两种方法。由于酸洗方法只能暂时的消除表层的Co相，而沉积过程中，聚晶金刚石复合片温度升高后内层的Co会随着浓度梯度再次扩散到表层，与金刚石发生反应。而且金刚石与复合片基底之间的热膨胀系数存在较大的差异，当降至室温时，会存在较高的残余应力，过高的残余应力会影响薄膜和基底的结合力甚至出现膜的脱落。因此为了解决这一问题，预处理方法中加入了一步氢等离子体刻蚀过程，利用氢气与金属钴发生反应生成易挥发的钴的氢化物进一步去除钴元素的影响。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)通过前期的一些预处理方式去除聚晶金刚石复合片表面不利于金刚石涂层沉积的因素(Co元素)，酸洗过程可以使表面层的钴与酸液发生化学反应，形成稳定的化合物。同时使得一部分的金刚石颗粒裸露出来，使得沉积过程中达到同质外延生长的效果。(2)采用的超声清洗过程操不仅能较彻底的清洗基体表面，同时也可将分散的金刚石微粉播植于基体上提高金刚石薄膜的形核率。(3)先通入氢气进行氢等离子体刻蚀过程可以达到兼顾除钴和脱碳两方面的效果。(4)通过严格控制温度等条件，使得实验温度低于复合片的工作失效温度。因为当温度一旦高于失效温度时，复合片的上层聚晶金刚石块和下层的硬质合金块由于热膨胀系数不同而发生分开脱落。(5)氩气的引入一方面不仅有利于维持低压放电，而且改善放电状态，提高反应活性基浓度和活性，提高低温沉积金刚石膜的质量；另一方面，由于其大的电离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在聚晶金刚石复合片上沉积CVD金刚石涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取聚晶金刚石复合片机械打磨，酸洗，再超声振荡清洗，烘干，得到预处理的聚晶金刚石复合片基底；(2)取预处理后的聚晶金刚石复合片基底置入微波等离子化学气相沉积设备中，在真空条件下，通入氢气至反应体系为100％氢气气氛，使聚晶金刚石复合片基底表面被氢气刻蚀；(3)再通入CH4气体，沉积CVD金刚石涂层，完成后冷却至室温，即在聚晶金刚石复合片上完成CVD金刚石涂层的沉积。

【技术特征摘要】
1.一种在聚晶金刚石复合片上沉积CVD金刚石涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)取聚晶金刚石复合片机械打磨，酸洗，再超声振荡清洗，烘干，得到预处理的聚晶金刚石复合片基底；(2)取预处理后的聚晶金刚石复合片基底置入微波等离子化学气相沉积设备中，在真空条件下，通入氢气至反应体系为100％氢气气氛，使聚晶金刚石复合片基底表面被氢气刻蚀；(3)再通入CH4气体，沉积CVD金刚石涂层，完成后冷却至室温，即在聚晶金刚石复合片上完成CVD金刚石涂层的沉积。2.根据权利要求1所述的一种在聚晶金刚石复合片上沉积CVD金刚石涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中的酸洗为将聚晶金刚石复合片放入15％HNO3溶液中，腐蚀10～20min。3.根据权利要求1所述的一种在聚晶金刚石复合片上沉积CVD金刚石涂层的方法，其特征在于，步骤(1)中的超声振荡清洗的工艺具体为：在含有金刚石微粉的丙酮或乙醇悬浮液中，超声震荡清洗20-40min。4.根据权利要求1所述的一种在聚晶金刚石复合片上沉积CVD金刚石涂层的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：简小刚，黄卓，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31