一种多层次梯度金刚石涂层及其应用制造技术

本发明专利技术涉及金属加工技术领域，具体是涉及一种多层次梯度金刚石涂层及其应用，该多层次梯度金刚石涂层生长在基底表面上，包括多层梯度结构；多层梯度结构的层数≥2；梯度结构包括第一层梯度结构和第二层梯度结构；第一层梯度结构从所述基底开始生长微米级金刚石晶粒，随着涂层厚度的增加，金刚石晶粒的尺寸由微米级别逐渐连续减小至纳米级别；第二层梯度结构在所述第一层梯度结构上生长，随着涂层厚度的增加，金刚石晶粒的尺寸由纳米级别逐渐连续增加至微米级别。本发明专利技术的多层次梯度金刚石涂层，进一步降低了金刚石涂层刀具的残余应力，并提高在使用过程中的抗机械冲击和热冲击能力，应用于硬质合金刀具上，可延长使用寿命。可延长使用寿命。可延长使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种多层次梯度金刚石涂层及其应用


[0001]本专利技术涉及金属加工
，具体是涉及一种多层次梯度金刚石涂 层及其应用。

技术介绍

[0002]随着国家产业升级，航空航天、汽车、交通运输等行业向着低能耗、 轻型化方向发展。新的材料不断涌现，碳纤维复合材料、钛铝合金、超硬 陶瓷等应用比重不断增加。传统硬质合金刀具和高速钢刀具加工以上材料 会出现高磨损、加工效率低等问题。虽然刀具经过晶粒细化等工艺来提高 刀具使用寿命，但是加工成本过高，效果不明显。同时，数控加工中心设 备也不断革新，五轴联动数控加工中心已经得到普遍应用，可实现复杂工 件的一次成型加工。因此，新材料的发展和加工中心的更新换代同时要求 高精度、高耐磨和高寿命的刀具出现。
[0003]金刚石涂层刀具经过三十年的发展，在工业应用领域取得了非凡的成 就，可以提高加工效率，降低稀有资源消耗。在工业领域，数控加工中心 五轴联动已经普遍应用，结合CAD、CAE等计算机辅助软件，可以实现材 料一次成型加工，复杂形状加工和高精度加工。因此，加工领域对刀具稳 定性和耐磨性提出了更高的要求。
[0004]高速断续车削或高速铣削时，由于切入工件时升温、切出工件时降温 以及切削液的冷却等原因，刀具不断地受到交变的热冲击和机械冲击的循 环作用，刀具切削部位容易萌生与扩展疲劳裂纹，因此刀具易破损。速度 较低时,其主要失效机理是机械应力造成的破损；速度较高时，刀具不仅 受到机械应力作用，热冲击的影响也不可忽视，所以其主要失效机理是机 械冲击和热冲击造成的破损和粘结磨损。刀具材料的抗机械冲击和抗热冲 击性能是决定刀具使用寿命的重要因素。
[0005]传统的单层金刚石刀具虽然硬度高但是脆性大，在切削过程中容易发 生脆断、脱落等现象，限制了金刚石涂层刀具的应用领域和使用寿命以及 加工稳定性。涂层脆断、脱落主要是由于单层金刚石涂层易脆裂、残余应 力大、裂纹易扩展等缺点造成的，稳定性有待提高。
[0006]梯度金刚石结构可提高涂层韧性，降低涂层残余应力，抑制裂纹扩展 等优势，应用潜力巨大。因此，梯度金刚石涂层制备工艺以及力学性能越 来越受到重视。
[0007]中国专利申请号201911043000.9公开了一种“金刚石梯度涂层及其 制备方法和应用”，该文献对所述植晶处理后的基体表面沉积生长金刚石， 使沿背离衬底表面的方向的纳米金刚石颗粒浓度和纳米金刚石颗粒粒径 逐渐增大，得到金刚石梯度涂层。其所制备的金刚石涂层在衬底处为纳米 金刚石晶粒，随着涂层的加厚，粒径逐渐增大，此种梯度金刚石涂层如果 用于硬质合金刀具上，由于结合面为纳米金刚石晶粒，涂层与硬质合金的 结合力将会降低，反而减少了刀具寿命。

技术实现思路

[0008]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种多层次梯度金刚石涂层， 在目前已有的梯度金刚石涂层刀具性能的基础上，进一步降低金刚石涂层 刀具的残余应力，并提高在使用过程中的抗机械冲击和热冲击能力，延长 刀具的使用寿命。
[0009]本专利技术提供一种多层次梯度金刚石涂层，所述金刚石涂层生长在基底 表面上，包括多层梯度结构；
[0010]所述多层梯度结构的层数≥2；
[0011]所述梯度结构包括第一层梯度结构和第二层梯度结构；
[0012]所述第一层梯度结构从所述基底开始生长微米级金刚石晶粒，随着涂 层厚度的增加，金刚石晶粒的尺寸由微米级别逐渐连续减小至纳米级别；
[0013]所述第二层梯度结构在所述第一层梯度结构上生长，随着涂层厚度的 增加，金刚石晶粒的尺寸由纳米级别逐渐连续增加至微米级别。
[0014]本技术方案中通过采用上述多层梯度结构不仅能有效避免尺寸突变 引起的性能突变，还能使材料具有不同特征尺寸的结构相互协调，使材料 的整体性能和使役性能得到极大优化和提升，实现材料强韧性的完美匹 配。
[0015]进一步地，上述方案中所述多层梯度结构的层数由所述金刚石涂层厚 度或表面结构确定。
[0016]本技术方案中多层梯度结构为的层数为基数(3，5，7，9，
……
)时， 金刚石涂层表面结构为纳米层；多层梯度结构为偶数(2，4，6，8，
……
) 时，金刚石涂层表面结构为微米层。可通过预设涂层厚度除以单层厚度获 得层数。
[0017]进一步的，上述方案中所述金刚石涂层表面结构为纳米层时，在所述 第二层梯度结构上，再依次生长第一层梯度结构；或再依次生长第一层梯 度结构、第二层梯度结构和第一层梯度结构；或多次重复生长第一层梯度 结构、第二层梯度结构和第一层梯度结构。
[0018]进一步的，上述方案中所述金刚石涂层表面结构为微米层时，在所述 第二层梯度结构上，不再生长；或再依次生长第一层梯度结构和第二层梯 度结构；或多次重复生长第一层梯度结构和第二层梯度结构。
[0019]进一步的，上述方案中所述微米级金刚石晶粒的尺寸范围为0.8
‑
1.0 μm，纳米级金刚石晶粒的尺寸范围为100
‑
200nm。
[0020]金刚石以晶粒尺寸大小可以划分为微米级金刚石(mircarostallinediamond，MCD，大于0.5μm)、纳米级金刚石(nanocrystalline diamond， NCD，50
‑
100nm)和超纳米级金刚石(ultra nanocrystalline diamond， UNCD，小于10nm)。
[0021]微米级金刚石的晶粒粗大，与硬质合金基底有较强的机械锁合效应， 但是微米级金刚石涂层残余应力大，易脆裂，韧性差，在较大的切削力条 件下，金刚石涂层中容易产生应力集中或者微裂纹等，在反复的切削过程 中，微裂纹扩展从而使得涂层呈现大面积的脱落。而且由于微米级金刚石 表面粗糙度较大，受到的切削力较大，切削力可直接传导至硬质合金与基 底的界面处，即使微米级金刚石层有较强的机械锁合效应，在较大的切削 力作用下也会出现涂层的脱落现象。
[0022]纳米级金刚石硬度虽然降低，但是提高了涂层韧性，纳米级金刚石热 膨胀系数大于微米级金刚石，更接近于硬质合金热膨胀系数，纳米级金刚 石可以缓解涂层与基底之间
形成的热残余应力，有效的抑制了裂纹的扩 展，具有更强的耐磨性和韧性。
[0023]本技术方案中通过限定纳米级金刚石晶粒和微米级金刚石晶粒的尺 寸并将两者结合，中间为纳米级金刚石晶粒、上下面为微米级金刚石晶粒， 从微米级到纳米级尺寸的变化是连续的，金刚石晶粒之间结合更为紧密， 可有效避免尺寸突变引起的性能突变，可减小应力集中现象和微裂纹的产 生；同时，由于纳米级金刚石有较强的韧性，可以吸收更多的能量，切削 力到达金刚石涂层与硬质合金界面处时被大大减小。
[0024]进一步的，上述方案中所述第一层梯度结构的厚度为4.5
‑
7μm。
[0025]进一步的，上述方案中所述第二层梯度结构的厚度为4.5
‑
7μm。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层次梯度金刚石涂层，其特征在于，所述金刚石涂层生长在基底表面上，包括多层梯度结构；所述多层梯度结构的层数≥2；所述梯度结构包括第一层梯度结构和第二层梯度结构；所述第一层梯度结构从所述基底开始生长微米级金刚石晶粒，随着涂层厚度的增加，金刚石晶粒的尺寸由微米级别逐渐连续减小至纳米级别；所述第二层梯度结构在所述第一层梯度结构上生长，随着涂层厚度的增加，金刚石晶粒的尺寸由纳米级别逐渐连续增加至微米级别。2.根据权利要求1所述的一种多层次梯度金刚石涂层，其特征在于，所述多层梯度结构的层数由所述金刚石涂层厚度或表面结构确定。3.根据权利要求2所述的一种多层次梯度金刚石涂层，其特征在于，所述金刚石涂层表面结构为纳米层时，在所述第二层梯度结构上，再依次生长第一层梯度结构；或再依次生长第一层梯度结构、第二层梯度结构和第一层梯度结构；或多次重复生长第一层梯度结构、第二层梯度结构和第一层梯度结构。4.根据权利要求2所述的一种多层次梯度金刚石涂层，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：李洪文，邱跃武，张小龙，
申请(专利权)人：江西晶耀科技有限公司，
类型：发明
国别省市：