金刚石涂层刀具的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金刚石涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：（1）刀具基体腐蚀；（2）Cr/CrN过渡层沉积；（3）金刚石涂层沉积。本发明专利技术的制备方法有效提高了金刚石涂层与硬质合金基体之间的结合力并抑制了Co的扩散，有利于金刚石涂层形核和生长，形成高附着力的金刚石涂层，金刚石涂层沉积后，硬质合金表层Co含量与内部基本保持一致，不会因表层Co缺失而造成刀具强度下降，且Cr/CrN过渡层有利于保持刀具刃口的锋利性。

Preparation method of diamond coated cutting tools

The invention discloses a method for preparing a diamond coated cutting tool, which includes the following steps: (1) corrosion of tool base; (2) deposition of Cr/CrN transition layer; (3) deposition of diamond coating; (2) diamond coating deposition; (2) diamond coating deposition; (2) diamond coating deposition; (2) diamond coating deposition; (2) diamond coating deposition; (2) diamond coating deposition; (2) diamond coating deposition; (2) diamond coating deposition; (2) diamond coating deposition. The preparation method of the invention can effectively improve the coating between diamond and hard alloy substrate binding and inhibition of Co proliferation, and is favorable for the growth of diamond coated nuclear shape, forming a diamond coating with high adhesion of the diamond coatings deposited after the hard alloy surface and internal Co content remained the same, not because of lack of surface Co cause the tool strength decreases, and the Cr/CrN transition layer is conducive to maintaining the sharpness of the cutting edge.

【技术实现步骤摘要】
金刚石涂层刀具的制备方法
本专利技术属于硬质合金金刚石涂层刀具的制备领域，涉及一种金刚石涂层刀具的制备方法，特别涉及一种采用酸碱腐蚀预处理工艺和过渡层以提高金刚石涂层与硬质合金基体结合强度的金刚石涂层刀具的制备方法。
技术介绍
金刚石具有较高的硬度，采用热丝化学气相沉积法（HFCVD）制备的金刚石涂层，可以在复杂形状硬质合金刀具基体上沉积，形成的金刚石涂层硬质合金刀具在加工石墨、纤维增强复合材料和AlSi合金等材料方面具有较高的寿命，是普通硬质合金刀具寿命的10倍以上，具有较高的性价比和市场前景。金刚石涂层与硬质合金基体的结合有两点需要克服。第一，金刚石涂层与硬质合金基体之间的热膨胀系数差别较大，它们的热膨胀系数分别是1×10-6K-1和5.4×10-6K-1，在沉积冷却过程中会导致金刚石涂层与基体之间因冷却速率不同而产生分层，降低金刚石涂层与基体之间的结合强度；第二，硬质合金基体中Co相的存在也是降低金刚石涂层与基体结合强度的一个关键因素，它会推迟并阻碍金刚石涂层的形核和生长，易于在金刚石涂层与基体之间形成石墨相，降低结合强度。为了解决以上问题，研究工作者提出了许多处理方法，在一定程度上降低了Co的含量，提高了结合强度。如：化学处理、热处理、硬质合金表面渗硼处理、离子注入的方法以及添加过渡层等，但是当前的方法还存在一定的不足。化学处理虽然能够去除刀具表面粘结钴相，但是硬质合金基体表面通常形成10-40μm厚的无钴层，无钴层厚度增加，会降低刀具的抗弯强度，引起刀具崩刃。申请号为CN201019026125.0的中国专利文献《SiC先驱体法制备金刚石涂层的方法》中使用的SiC过渡层厚度达到5-50μm，不适用于刀具行业。申请号为CN201310355819.5的中国专利文献《一种金刚石涂层刀具的制备方法及该方法所得金刚石涂层刀具在印刷线路板制备中的应用》中提到采用溶胶凝胶法制备厚度为0.5-5μm的二氧化硅膜和对二氧化硅膜进行还原获得硅/碳化硅过渡层，但此方法制备的过渡层需要较长时间，达到120-160h，不利于工业化生产和实际应用。因此，寻求一种能够有效提高金刚石涂层与硬质合金基体之间的结合力并抑制Co元素向表层扩散、同时保持刀具刃口强度的金刚石涂层刀具的制备方法成为当务之急。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种适用于工业生产、能提高金刚石涂层与硬质合金基体之间的结合力、有效抑制Co元素向表层扩散、且能够保持刀具刃口强度的金刚石涂层刀具的制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种金刚石涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：（1）刀具基体腐蚀：对刀具基体进行腐蚀处理，使刀具基体表面形成Co空层；（2）Cr/CrN过渡层沉积：在步骤（1）得到的刀具基体表面先后沉积Cr涂层和CrN涂层，形成Cr/CrN过渡层；（3）金刚石涂层沉积：在步骤（2）得到的刀具基体表面沉积金刚石涂层，得到金刚石涂层刀具。上述的金刚石涂层刀具的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述Co空层的厚度为1μm～4μm。上述的金刚石涂层刀具的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述腐蚀处理为先进行碱腐蚀，然后进行酸腐蚀。更优选的，所述碱腐蚀的时间为5min～20min；所述酸腐蚀的时间为5min～30min。上述的金刚石涂层刀具的制备方法中，优选的，所述碱腐蚀中采用的碱溶液为K3[Fe(CN)6]、KOH和H2O的混合溶液，所述K3[Fe(CN)6]、KOH、H2O的质量比为1∶1∶5～50；所述酸腐蚀中采用的酸溶液为HNO3、H2SO4、HCl、H3PO4和H2O2中的一种或几种与水的混合溶液，所述酸溶液中水的体积分数为80%～99.5%。上述的金刚石涂层刀具的制备方法中，优选的，所述步骤（2）中，所述Cr/CrN过渡层的厚度为0.2μm～1μm；所述Cr/CrN过渡层中CrN涂层具有（200）晶面择优取向。上述的金刚石涂层刀具的制备方法中，优选的，所述步骤（2）中，所述Cr涂层采用PVD法制备得到；所述PVD法的制备条件为：在氩气气氛中进行沉积，沉积温度200℃～300℃，偏压在-600V～-150V，沉积时间为1h～2h；所述CrN涂层采用PVD法制备得到；所述PVD法的制备条件为：沉积温度200℃～300℃，偏压在-300V～-150V，沉积时间为6h～12h，反应气体为氮气。上述的金刚石涂层刀具的制备方法中，优选的，所述步骤（3）中，所述金刚石涂层为微米金刚石涂层、纳米金刚石涂层或由微米金刚石涂层和纳米金刚石涂层组成的层状复合涂层（也可称为微米/纳米金刚石层状复合涂层）；所述微米金刚石涂层中金刚石晶粒度为1μm～8μm；所述纳米金刚石涂层中金刚石晶粒度小于300nm；所述金刚石涂层的厚度为2μm～20μm。上述的金刚石涂层刀具的制备方法中，优选的所述微米金刚石涂层由热丝化学气相沉积法制备得到；所述热丝化学气相沉积法的沉积条件为：热丝温度2000℃～2300℃，压力4kPa～10kPa，沉积时间5h～12h，碳源气体为丙酮或甲烷，反应气体为氢气，所述碳源气体与氢气的体积比为1%～10%；所述纳米金刚石涂层由热丝化学气相沉积法制备得到；所述热丝化学气相沉积法的沉积条件为：热丝温度2000℃～2300℃，压力0.5kPa～2kPa，沉积时间5h～12h，碳源气体为丙酮或甲烷，反应气体为氢气和氩气；所述碳源气体的体积占总气体体积（即碳源气体与反应气体的总体积）的2%～6%；所述氢气与所述氩气的体积比为0.5～1.5∶1。上述的金刚石涂层刀具的制备方法中，优选的，所述步骤（3）中，在沉积所述金刚石涂层之前还包括超声波清洗处理：将步骤（2）中得到的刀具基体放入金刚石悬浮液中进行超声波清洗，所述金刚石悬浮液中金刚石颗粒晶粒度小于3μm，所述超声波清洗时间小于1h。上述的金刚石涂层刀具的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述刀具基体为WC-Co硬质合金，所述WC-Co硬质合金中Co的质量含量≤6%；所述WC-Co硬质合金中WC晶粒度为0.2μm～2μm。本专利技术中，所用刀具为刀片、铣刀、钻头、铰刀或丝锥，整体刀具的刃径范围为0.5mm～12mm。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术优化了整体刀具的前处理工艺，前处理后使基体表面Co空层的厚度在1～4μm范围内，通过沉积厚度范围在0.2～1μm的Cr/CrN过渡层，在金刚石涂层沉积过程中一方面Cr/CrN过渡层阻止Co向外扩散，另一方面Cr/CrN过渡层表层的CrN参加反应，形成Cr3C2化合物，有利于金刚石涂层形核和生长，增加与金刚石涂层的结合力。在金刚石涂层沉积过程中，Co相向基体表面扩散，扩散后填充原始基体表面Co空层，可以不降低硬质合金基体的强度。在切削加工时，减少刃口崩刃的发生，可更长时间保持刃口的锋利，明显改善加工效果，延长刀具使用寿命，减少换刀频率，提高加工效率，降低加工成本。2、本专利技术适用于工业化生产的硬质合金刀片和整体铣刀、钻头、铰刀、丝锥等产品。附图说明图1为本专利技术实施例1中腐蚀处理前后硬质合金基体截面示意图，（a）腐蚀处理前，（b）腐蚀处理后，黑色的三角形是WC，其余是Co。图2为本专利技术实施例1中制备的金刚石涂层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：（1）刀具基体腐蚀：对刀具基体进行腐蚀处理，使刀具基体表面形成Co空层；（2）Cr/CrN过渡层沉积：在步骤（1）得到的刀具基体表面先后沉积Cr涂层和CrN涂层，形成Cr/CrN过渡层；（3）金刚石涂层沉积：在步骤（2）得到的刀具基体表面沉积金刚石涂层，得到金刚石涂层刀具。

【技术特征摘要】
1.一种金刚石涂层刀具的制备方法，包括以下步骤：（1）刀具基体腐蚀：对刀具基体进行腐蚀处理，使刀具基体表面形成Co空层；（2）Cr/CrN过渡层沉积：在步骤（1）得到的刀具基体表面先后沉积Cr涂层和CrN涂层，形成Cr/CrN过渡层；（3）金刚石涂层沉积：在步骤（2）得到的刀具基体表面沉积金刚石涂层，得到金刚石涂层刀具。2.根据权利要求1所述的金刚石涂层刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述Co空层的厚度为1μm～4μm。3.根据权利要求2所述的金刚石涂层刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述腐蚀处理为先进行碱腐蚀，然后进行酸腐蚀。4.根据权利要求3所述的金刚石涂层刀具的制备方法，其特征在于，所述碱腐蚀中采用的碱溶液为K3[Fe(CN)6]、KOH和H2O的混合溶液，所述K3[Fe(CN)6]、KOH、H2O的质量比为1∶1∶5～50；所述酸腐蚀中采用的酸溶液为HNO3、H2SO4、HCl、H3PO4和H2O2中的一种或几种与水的混合溶液，所述酸溶液中水的体积分数为80%～99.5%。5.根据权利要求1～4中任一项所述的金刚石涂层刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述Cr/CrN过渡层的厚度为0.2μm～1μm；所述Cr/CrN过渡层中CrN涂层具有（200）晶面择优取向。6.根据权利要求1～4中任一项所述的金刚石涂层刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述Cr涂层采用PVD法制备得到；所述PVD法的制备条件为：在氩气气氛中进行沉积，沉积温度200℃～300℃，偏压在-600V～-150V，沉积时间为1h～2h；所述CrN涂层采用PVD法制备得到；所述PVD法的制备条件为：沉积温度200℃～300℃，偏压在-300V～-...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐银超，王社权，陈响明，温光华，李园园，
申请(专利权)人：株洲钻石切削刀具股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43