一种在硬质合金工具刃口涂复金刚石膜的方法技术

本发明专利技术提供了一种只在硬质合金工具尖角和刃口及其附近区域生长金刚石膜，获得高性能金刚石膜涂层硬质合金工具的制备方法，即在用聚焦的激光束处理硬质合金工具衬底的表面后采用聚乙烯溶液（或其它聚合物和塑料）进行掩膜处理。掩膜处理并用金刚石粉活化后，去除掩膜，即可用任何现有的化学气相沉积金刚石膜工艺实现只在硬质合金工具尖角和刃口及其附近区域生长金刚石膜的目的。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术属于在硬质合金上用化学气相沉积方法制备超硬金刚石涂层工具的技术，采用本专利技术的技术可以只让金刚石膜在硬质合金工具的尖角和刃口部分生长，大大的提高化学气相沉积金刚石薄膜和衬底之间的结合力，制备出高性能的金刚石薄膜涂层硬质合金工具。金刚石涂层硬质合金工具已开始在市场上(日本)出现，并已显示出十分卓越的切削性能(在切削高硅铝合金时，可提高工具寿命数十至上百倍，且可大大改善表面加工质量)。但是，由于硬质合金中的钴相的存在，使金刚石薄膜气相生长难以进行。钴促进石墨的生成，因而防碍金刚石的生长并最终导致金刚石膜与硬质合金衬底十分脆弱的结合。针对这一问题，从86年左右起，在日本和美国已有上百个专利发表。这些专利企图通过(1)尽量减少硬质合金中钴的含量，加入特殊添加剂，或采用非硬质合金衬底;(2)采用酸液浸蚀，电解浸蚀，等离子体浸蚀以及在H2O-O2气氛中高温脱碳处理的方法去除硬质合金表面层的钴，(3)施加金属或化合物阻挡层，(4)采用各种表面改性处理方法使衬底表面粗糙化，(5)采用特殊的沉积技术获得制备复杂的多层复合膜，来消除钴的有害影响，增强金刚石薄膜与硬质合金衬底间的结合力，以期获得实用的金刚石涂层硬质合金工具。除去硬质合金中钴的有害影响之外，化学气相沉积金刚石膜本身存在的内应力也是影响结合力的一个重要因素。美国专利(US PATENT 4919974，4992082，4998421等)采用了一种十分复杂的方法企图解决内应力的问题(见附图说明图1)。这种方法的本质是用分散的金刚石颗粒替代连续的金刚石膜。首先在硬质合金工具衬底上沉积一层阻挡层以防止钴的影响，然后在沉积一层分散的金刚石颗粒(不连续的金刚石膜)，接着再沉积一层结合层(BONDING LAYER，此层与金刚石颗粒及阻挡层均有很好的结合)。随后再反复地进行金刚石颗粒与结合层的沉积，最终获得一种十分复杂的多层膜系统。显然，这种方法工艺过于复杂，成本过高，而且按此法制备的金刚石涂层工具性能并不理想。日本专利JP03-215669/1991提出了一种更为有效的解决办法，采用化学气相沉积的钽(或薄钽片)作掩膜，只让金刚石在硬质合金工具的尖角或刃口及其附近0.5毫米的区域生长，从而有效地消除内应力的影响，大大地提高金刚石膜涂层工具的使用性能。本专利技术的目的在于提供一种与上述方法不同的掩膜方法，实现金刚石膜只在硬质合金工具尖角及刃口及附近局部区域的沉积。本专利技术基于以下原理即在用高能激光束照射经过用金刚石粉末活化(SEEDING)的衬底时，活化质点(很可能是嵌入衬底表面的金刚石粉末碎片)将被激光束烧掉，所以凡是经过激光束处理的区域金刚石的形核将受到抑制。这个原理已为前苏联科学院物理研究所学者(见DD＆ST，3(2)1992∶4)在硅衬底上的工作所证实，但迄今为止尚未见任何采用激光束实现在硬质合金工具尖角和刃口及其附近生长金刚石膜的报道。本专利技术包括以下内容(见图2)1)采用高能激光束照射经过活化(SEEDING)的硬质合金工具衬底，2)用聚乙烯溶液涂(或其它聚合物或塑料的有机溶液)复除工具尖角及刃口及其附近外的所有区域，干燥后即形成聚乙烯掩膜(或其它聚合物或塑料膜)，3)将掩膜处理的硬质合金工具衬底在悬浮细金刚石粉的水或有机溶剂的超声波浴中进行活化处理，4)用丙酮或其它有机溶剂除去聚乙烯掩膜，5)采用现存的任何金刚石膜化学气相沉积方法在除去聚乙烯掩膜的工具衬底上生长金刚石膜。采用本专利技术的方法，金刚石膜只能在未加掩膜的部分，即工具刃口和尖角及其附近生长。可以使用准分子激光，或二氧化碳激光，或YAG激光对硬质合金衬底进行照射，但以准分子激光最为理想。在采用准分子激光时，最佳的能量密度范围是0.5-4.0J/cm2，脉宽100纳秒，频率10赫兹。激光处理的目的不仅在于烧掉衬底表面的活化质点，更重要的是通过这一处理使硬质合金表层的钴被选择性的蒸发而去除，同时还使表面改性达到适当的粗糙化，大大地提高金刚石膜与硬质合金工具衬底的结合力(专利技术者已申请专利)。掩膜除采用聚乙烯外，也可采用其它聚合物或塑料。掩膜处理后的活化处理至关重要，可以采用0.5-40μm的金刚石粉在水或有机溶剂(如甲醇，采用的有机溶液不应溶解掩膜)中的悬浮液，超声处理10-120分钟。最终的化学气相沉积可以采用任何现有的金刚石膜沉积技术，包括热丝CVD，微波等离子体CVD，直流电弧等离子体CVD(DC PLASMA JET)，火焰沉积等。在采用微波等离子体CVD的情况下，典型的工艺条件为H250-500sccm，CH40.2-10sccm，衬底温度600-1000℃，微波功率200-2000W，沉积时间5-15小时。本专利技术的优点在于1)掩膜方法简单，成本低廉，2)掩膜前的激光处理除烧去衬底表面的活化质点的作用外，还可以通过选择性蒸发去除表面层的钴，同时由于表面的瞬时熔化和快速凝固还可以使硬质合金衬底表面粗糙化，大大增强气相生长金刚石膜与硬质合金衬底之间的结合力，提高金刚石涂层硬质合金工具的使用性能(见专利技术者申请的相关专利化学气相沉积金刚石涂层硬质合金工具新工艺)。以下结合附图对本专利技术作进一步的说明。图1为美国专利(US PATENT 4919974，4992082，4998421等)企图解决内应力的问题的方法示意图。这种方法的本质是用分散的金刚石颗粒替代连续的金刚石膜。图中59，61为阻挡层，62，65，67，70为金刚石颗粒，64，66，68为结合层。这种方法工艺十分复杂，成本高昂，而且按此方法制备的硬质合金工具使用性能并不理想。图2为本专利技术工艺方法示意图。图中高能激光束照射，掩膜处理，去除掩膜，活化处理(SEEDING)，金刚石化学气相沉积。实施例1 YG6(WC-6wt%Co)硬质合金铣刀采用能量密度为2.0J/cm2的准分子激光束处理(刀具正面，及侧面0.5mm范围)，然后用聚乙烯作掩膜，只暴露刀具的尖角和刃口部分(见图2)。将掩膜处理的刀具在悬浮20-40μm粒度的金刚石粉甲醇溶液中超声处理30分钟。用丙酮溶解聚乙烯掩膜，在用清洁甲醇溶液超声清洗后，置入微波等离子体CVD装置中进行金刚石膜气相沉积。沉积工艺条件为气体组成H2100sccm，CH41sccm，压力20乇，微波功率400瓦，衬底温度850℃，沉积时间5-15小时，可在刀具尖角及刃口附近0.5毫米获得厚度为4-10微米的金刚石涂层。实施例2 进行同上的激光处理，掩膜处理，和活化处理后，采用热灯丝CVD进行金刚石膜化学气相沉积。工艺条件为气体组成H2100sccm，CH40.5sccm，压力20乇，灯丝温度2000℃，衬底温度850℃，沉积时间6-15小时。可在刀具尖角及刃口附近0.5毫米获得厚度为4-10微米的金刚石涂层。权利要求1.一种在硬质合金刀具上用低压化学气相沉积方法制备金刚石膜涂层工具的工艺，其特征在于采用特殊掩膜方法，只在工具的尖角和刃口及其附近区域沉积金刚石膜，即采用准分子激光，或二氧化碳激光，或YAG激光对硬质合金衬底进行照射，在采用准分子激光时，最佳的能量密度范围是0.5-4.0J/cm2，脉宽100纳秒，频率10赫兹，然后采用聚乙烯或其它聚合物或塑料溶液涂复除工具尖角及刃口及其附近外的所有区域，干燥本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在硬质合金刀具上用低压化学气相沉积方法制备金刚石膜涂层工具的工艺，其特征在于采用特殊掩膜方法，只在工具的尖角和刃口及其附近区域沉积金刚石膜，即采用准分子激光，或二氧化碳激光，或ＹＡＧ激光对硬质合金衬底进行照射，在采用准分子激光时，最佳的能量密度范围是：０. ５－４. ０Ｊ／ｃｍ↑［２］，脉宽１００纳秒，频率１０赫兹，然后采用聚乙烯或其它聚合物或塑料溶液涂复除工具尖角及刃口及其附近外的所有区域，干燥后即成为所要求的掩膜，经过掩膜处理的硬质合金衬底，随后应在悬浮细金刚石粉的水或有机溶剂的超声波浴中进行活化处理，金刚石粉粒度以２０－４０μｍ为好，时间为１０－１２０分钟。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：吕反修，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]