CN102352512B - 一种采用脉冲激光制备高附着力金刚石涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
一种采用脉冲激光制备高附着力金刚石涂层的方法，属于涂层刀具行业与激光加工领域。本发明利用双次激光冲击强化技术的方法在不损害刀具的力学性能和机械性能的情况下利用Co与WC的硬度之间的巨大差异，在激光冲击波的高频高压作用下对YG系列硬质合金表面以及次表层进行选择性脱Co处理，同时利用带B的激光冲击波将B离子带入刀具内部。在高温沉积时与Co反应，生成致密的CoB、Co2B，阻挡刀具次表层以及心部处的Co的扩散和迁移能力，从而显著提高结合强度。利用双次激光冲击强化技术提高涂层刀具的结合强度的方法，克服了传统的处理措施的局限，是提高涂层附着力及其涂层刀具整体机械性能的理想技术手段。
Description
技术领域
本发明涉及到激光加工与涂层刀具领域。特指采用双次激光冲击强化处理技术提高金刚石涂层与YG系列的硬质合金刀具之间的结合强度以及涂层与刀具整体力学和机械性能的方法。
背景技术
金刚石具有高硬度、高耐磨性、高热导率、低摩擦系数、低热膨胀系数等优异特性, 是作为切削工具耐磨涂层十分理想的刀具涂层材料。而硬质合金材料具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，是一种应用非常广泛的刀具材料，但是随着工业和科技的，越来越多的难加工材料大量涌现，单一的硬质合金材料的性能无法满足当前的需求，因此产生了涂层硬质合金刀具。以YG系列硬质合金(WC-Co) 为基体的金刚石涂层刀具在切削难加工材料中应用最广， 在切削各种非铁材料如铝硅合金、陶瓷及各种复合材料等领域具有广阔的应用市场。然而, 由于金刚石涂层在硬质合金刀具基体上的附着力较差, 在切削力作用下很容易从基体上脱落, 所以严重影响了金刚石涂层刀具的切削性能和使用寿命，影响金刚石涂层与硬质合金刀具之间结合强度的一个关键因素就是Co的存在。Co的存在有以下几个副作用：（1）推迟并阻碍金刚石的形核与生长；（2）高蒸汽压的钻催化非金刚石碳、非晶碳、石墨的形成；（3）Co对C有着较大的溶解能力，在高温沉积涂层时，会析出大量的C,在涂层与基体之间形成石墨层；（4）钴强烈促进金刚石的二次形核。
因此如何降低YG系列表层的Co、彻底消除高温下Co的扩散以及迁移能力是制备高附着力金刚石涂层的关键所在。对于YG系列的硬质合金基体来说，沉积前的基体表面状态与性质，尤其是表面Co的含量，表面粗糙度，表面性能（表面活性、表面几何形貌、缺陷类型和密度、晶体结构和点阵常数、表面能）等因素，能够显著影响金刚石的形成核以及涂层质量、结合强度。
为了降低刀具表层的Co含量，提高二者的结合强度，许多的学者提出了许多比较有效的处理方法，均能在一定程度上降低Co的含量，提高结合强度，如：微喷砂、等离子体刻蚀、水流溅射、化学处理、等离子体碳氮共渗法、硬质合金表面渗硼处理以及施加过渡层等，但是当前的传统处理措施的存在较大不足,如：化学处理虽然能够有效的去除刀具表层的Co含量，提高结合强度，但是存在一定的局限性：（1）无法克服Co在高温沉积时向贫Co层迁移和扩散；（2）硬质合金基体中Co的分布存在聚积，化学脱Co处理无法避免孔洞分布及大小的不均匀性，腐蚀后Co 聚集区转化为巨大的深坑，很容易形成结构组织松散的WC层，从而在涂层与刀具结合面之间形成弱相，影响涂层与刀具的结合强度；（3）去Co之后刀具基体的硬度和抗弯强度都有所下降，而且反复性差等；等离子体刻蚀以、等离子体碳氮共渗法以及硬质合金表面渗B处理虽然能彻底消除的Co的影响来提高结合强度，但是由于高温的影响，会在刀具刃部形成脆相η相，造成脆性破坏，且无法在刀具基体表面形成一定的残余压应力，无法对基材表面进行改性，无法改善基材的应力状态、粗糙度等。水流溅射法虽然也能在一定程度上去除刀具表层的Co，但是效果不明显，也无法克服Co的扩散与迁移难题。传统的方法虽然能够提高涂层与刀具之间的结合强度，但是效果不是很明显，缺陷也比较多，对基体造成的损害也比较大。即：传统的处理方法都存在较大的局限性，如：（1）无法在刀具基体表层以及一定深度残留一定值的残余压应力；（2）对基体造成的损害比较大，如降低刀具的硬度和强度；（3）在刀具刃部形成脆相η相，造成脆性破坏；（4）无法彻底地去处刀具表面的Co以及彻底消除Co的迁移、扩散能力；（5）处理措施的工艺比较复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服当前刀具预处理手段无法在刀具基体表层以及一定深度残留一定值的残余压应力、对基体造成的损害比较大，如降低刀具的硬度和强度、在刀具刃部形成脆相η相，造成脆性破坏、无法彻底地去处刀具表面的Co以及彻底消除Co的迁移、扩散能力、处理措施的工艺比较复杂等局限性，在不损害刀具基体性能的前提下采用了双次激光冲击强化预处理技术彻底消除了Co的影响，提出了一种新型有效的提高金刚石涂层与YG系列硬质合金之间的结合强度以及整体性能的预处理方法。
本发明的技术方案是：
本发明采用双次激光冲击强化技术来制备高附着力金刚石涂层。首先对刀具进行第一次激光强化预处理，利用Co与WC的硬度之间的巨大差异，Co的硬度远远低于WC的硬度，在激光冲击波的高频高压作用下对刀具表面以及次表层的Co进行刻蚀，大大改善了金刚石涂层沉积的环境；在此基础上对刀具进行第二次激光冲击强化处理，将B离子带进刀具基体内部，
一种采用脉冲激光制备高附着力金刚石涂层的方法，其具体步骤是：
(1)首先对YG系列硬质合金刀具进行清洗，所选用的清洗试剂必须根据刀具的加工工艺进行选择。
(2)将黑漆均匀地涂覆在刀具基体上，然后利用计算机控制***控制激光发生器以及数控五轴工作台的运动，使得激光束透过光学镜片，经过反射镜的作用将激光束反射到黑漆上，用水作为约束层，选用较大的激光能量对刀具进行第一次激光冲击强化处理刀具，激光能量为200mJ~2J，去除刀具表面及表层的Co。
(3)再用试剂清洗刀具表面的黑漆，用X射线能谱仪进行测量该刀具表面以及次表层的含Co量。
(4)采用柔性贴膜技术制备带B颗粒的黑漆：超细B颗粒（nm级）、黑漆、硅胶按照一定的比例进行配比, 并配以活性剂、引发剂等进行聚合反应制成乳液, 然后与分散剂、消泡剂在65°C~90°C下分散釜中充分旋转搅拌而成，然后冷却得到贴膜。
(5)将制备的带超细B颗粒的黑漆涂覆在激光预处理过的刀具上面，用计算机控制***控制激光器以及数控五轴工作台的运动轨迹，激光束透过光学镜片，经过反射镜的作用将激光束反射到带B颗粒的黑漆上上，用水作为约束层，选用较小的激光能量对刀具进行第二次激光冲击强化处理刀具，激光能量为100mJ，将B离子送入刀具基体内，使得Co与B在高温沉积时发生化学反应，生成稳定、致密的化合物，阻挡了刀具次表层以及心部的Co向贫钴层扩散与迁移，彻底消除了Co的影响，并将金刚石涂层恒压缓冷到室温。
(6)取下柔性贴膜，用热丝化学气相沉积法在缓冷措施下沉积金刚石涂层6~8小时，沉积温度850°， 用X射线能谱仪测量刀具表面以及次表层Co的含量，再用划痕法测量金刚石涂层与硬质合金刀具之间的临界载荷。
本发明采用的激光器是Nd:YAG固体激光器，激光能量是100m J~2J,光斑直径为0.8mm，频率为8HZ，脉宽8ns，搭接率为50%。材料为株洲钻石切削有限公司生产的YG6硬质合金刀片,采用热丝化学气相沉积（CVD）技术沉积金刚石涂层。
本发明所能达到的有益效果是：
(1)采用了一种通过激光冲击强化技术去除硬质合金刀具表面的Co以及凭借激光冲击波将B离子带入基材内部，在高温沉积时生成稳定化合物，阻碍了Co的扩散与迁移，彻底消除Co的影响，显著提高涂层刀具的结合强度。该方法可以提高基体的硬度和抗弯强度等，对基体的性能不但不会造成损害，反而能大大提高刀具基体表面的性能，有利金刚石的形核，提高附着力。
(2)采用了柔性贴膜技术，制备了带超细B颗粒的柔性贴膜，可以进行多次激光冲击强化处理，而且附着力也非常好。
(3)通过激光冲击强化预处理刀具之后，使得刀具表面能增大，从而提高金刚石涂层的形核密度；激光冲击刀具之后，刀具的位错密度大大增加，减小了晶界的间隙等，在一定程度上削弱了Co的迁移和扩散能力。
(4)第二次使用激光冲击强化时，借助激光冲击波将B离子带入基材内部，在高温沉积时，与次表层的Co发生化学反应，生成稳定化合物，阻碍了Co在高温下向界面扩散与迁移，彻底消除了Co的影响，提高金刚石的形核密度，大大提高了涂层的附着力。
(5)激光冲击强化刀具之后，可以大大提高刀具基体表面的性能和状态，为涂层营造了一个最佳沉积环境。
(6)激光冲击刀具之后，在刀具表面留下了非敞开型的凹坑，增加刀具的表面（显微）粗糙度，大大增加了涂层与刀具基体之间的“机械锁合效应”，大大提高涂层刀具的结合强度。
(7)该方法是利用了激光冲击强化的力效应，非热效应，因此不会在基体内形成拉应力，也不会在刀具刃部形成脆相η相，造成脆性破坏，而且还能使得基体呈现压应力状态，大大提高刀具的力学性能。
（8）本发明方法是集机械预处理与脱Co、阻Co于一体的方法。
(9)本发明工艺非常简单而实用，重复性和可控性好，是一种无损害预处理技术。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为采用脉冲激光制备高附着力金刚石涂层的原理示意图
图中，1、数控五轴工作台；2、计算机控制***；3、Nd:YAG固体激光发生器；4、光学镜；5、反射镜；6、施加水约束层装置；7、刀具；8、黑漆；9、带超细B颗粒的柔性贴膜；10、热丝化学气相沉积装置；11、激光束；12、X射线能谱仪。
具体实施方式
如图1，实现发明的装置包括装置数控五轴工作台1、计算机控制***2、Nd:YAG固体激光发生器3、光学镜片4、反射镜5、施加水约束层装置7、热丝法沉积装置11、X射线能谱仪13。
将刀具8在用酒精清洗后固定在数控五轴工作台1上，然后在刀具7上均匀涂覆一层黑漆8，开启施加水约束层装置6，控制约束层厚度为2mm，启动计算机控制***2，发出指令，控制Nd:YAG固体激光发生器3，使Nd:YAG固体激光发生器3发出能量为200mJ~2J，脉宽为8ns的激光脉冲，激光束11的光斑模式是可调的，本发明中光斑直径0.8mm，Nd:YAG固体激光发生器3产生的激光束11通过光学镜片4精确控制光斑空间能量分布，经过反射镜的作用改变激光束11的方向，到达黑漆8上，同时，计算机控制***2控制数控五轴工作台1的运动轨迹完成第一次激光冲击强化，去除刀具表层的Co，用酒精清洗刀具7上面残留的黑漆8，用X射线能谱仪12测量刀具7表面以及次表层的含Co量；在刀具7上贴上带超细B颗粒的柔性贴膜9，开启施加水约束层装置6，控制约束层厚度为2mm，再次启动计算机控制***2，发出指令，作用于Nd:YAG固体激光发生器3，Nd:YAG固体激光发生器3发出能量为100mJ的激光束，其他激光参数选用与第一次相同的参数，激光束11的光斑模式是可调的，光斑直径为Nd:YAG固体激光发生器产生的激光束11通过光学镜片4精确控制光斑空间能量分布，经过反射镜的作用改变激光束11的方向，到达带超细B颗粒的柔性贴膜9上，同时，计算机控制***2控制数控五轴工作台1的运动轨迹完成第二次激光冲击强化，完毕后，取下带超细B颗粒9的贴膜；在沉积装置中用高频感应将刀具7加热到850°，采用氢气与甲烷为碳源，气体纯度为99.999%，甲烷与氢气体积比为1%，总流量保持在100sccm，本底真空度变化范围1~3×10-2,灯丝温度2000°，用热丝沉积装置10进行850°、沉积压力为5KPa、周围气体温度为100°~200°下沉积金刚石涂层7小时到室温，然后用X射线能谱仪12测量刀具表面以及次表层的含Co量，再用划痕法测量金刚石涂层与硬质合金刀具之间的临界载荷；用X衍射仪测量金刚石涂层内部的残余应力。
实施例
激光冲击强化提高金刚石涂层与YG6硬质合金刀具的附着力
用工业酒精或者丙酮溶液清洗YG6硬质合金刀具7表面，然后在表面涂覆一层均匀的黑漆8，选用Nd:YAG固体激光发生器3，激光能量是200m ~2J,光斑直径为0.8mm，频率为8HZ，脉宽8ns，搭接率为50%，用计算机控制***2控制Nd:YAG固体激光发生器3以及数控五轴工作台1的运动轨迹，激光束11透过光学镜片4调节激光能量的空间分布，经反射镜5使得激光束12辐射到黑漆表面9，启动施加水约束层装置6，对刀具7基体进行第一次冲击强化，再用工业酒精去除刀具表面残留的黑漆8，再用X射线能谱仪12测量表面以及距离表面15um处Co的含量；选用超细B颗粒（nm级）、有机硅凝胶、黑漆按照3:2:2的比例，配以活性剂、引发剂等进行聚合反应制成乳液,再与分散剂、消泡剂、碳粉等在85°下旋转搅拌而成，然后冷却得到2mm的贴膜—带B颗粒的贴膜9；将此带B颗粒的贴膜9贴在经过激光冲击过的刀具7上，调整激光能量，激光能量选用100mJ，其他激光参数选用与第一次相同的参数进行第二次激光冲击强化处理，完毕之后，取下贴膜9；用高频感应加热器将刀具加热到850°，采用氢气与甲烷为碳源，气体纯度为99.999%，甲烷与氢气体积比为1%，总流量保持在100sccm，本底真空度变化范围1~3×10-2,灯丝温度2000°，用热丝沉积装置10进行850°、沉积压力为5KPa、容器内环境温度为140°C下沉积金刚石涂层7小时到温室。经过7小时后，用X射线能谱仪12测量刀具7表面的含Co量，以及距离刀具表面15um（次表层）处的含Co量，用划痕法测量金刚石涂层与硬质合金刀具之间的临界载荷。
从测量结果可以看到：对YG6硬质合金刀片进行第一次激光冲击之后，刀具表面的含Co量从6%下降到0，次表层（15um处）的Co含量为1.35%，第二次冲击后，采用热丝化学气相沉积技术，沉积温度850°、沉积压力为5KPa、周围环境温度240°沉积7小时后，用X射线能谱仪测量刀具表面的Co含量仍为0，次表层（15um处）的含Co量为0。采用压痕法测得金刚石涂层与刀具之间的临界载荷≥3KN，而传统的方法得到的临界载荷≥1.5KN。
Claims (4)
1.一种采用脉冲激光制备高附着力金刚石涂层的方法，其特征在于，采用激光冲击强化脱Co技术，硬质合金刀具中存在Co和WC两种元素，利用Co与WC的硬度之间的巨大差异，Co的硬度远远低于WC的硬度，在激光冲击波的高频高压作用下对刀具表面以及次表层的Co进行刻蚀；具体步骤是：
(A)首先对YG系列硬质合金刀具进行清洗
(B)将黑漆均匀地涂覆在刀具基体上，用水作为约束层，然后利用计算机控制***控制激光发生器以及数控五轴工作台的运动，使得激光束透过光学镜片，经过反射镜的作用将激光束反射到黑漆上，对刀具进行第一次激光冲击强化处理刀具，去除刀具表层的Co；
(C)再用试剂清洗刀具表面的黑漆，用X射线能谱仪进行测量刀具表面以及次表层的含Co量；
(D)采用柔性贴膜技术制备带B颗粒的黑漆，超细nm级B颗粒、黑漆、硅胶按照3:2:2的比例进行配比, 并配以活性剂、引发剂进行聚合反应制成乳液, 然后与分散剂、消泡剂在65°C~90°C下分散釜中充分旋转搅拌而成，然后冷却得到贴膜；
(E)将制备的带超细B颗粒的黑漆涂覆在激光预处理过的刀具上面，利用计算机控制***控制激光器以及数控五轴工作台的运动轨迹，使得激光束透过光学镜片，经过反射镜的作用将激光束反射到带B颗粒的黑漆上，用水作为约束层，对刀具进行第二次激光冲击强化处理刀具，将B离子送入刀具基体内，高温沉积时，阻碍Co向刀具表层扩散与迁移；
(F)取下柔性贴膜，用热丝化学气相沉积法在缓冷措施下沉积金刚石涂层6~8小时，沉积温度850°C，用X射线能谱仪测量刀具表面以及次表层Co的含量，再用划痕法测量金刚石涂层与硬质合金刀具之间的临界载荷。
2.权利要求1所述的一种采用脉冲激光制备高附着力金刚石涂层的方法，其特征在于，两次激光冲击强化处理选用的激光参数为光斑直径为0.8mm，频率为8HZ，脉宽8ns，搭接率为50%。
3.权利要求1或2所述的一种采用脉冲激光制备高附着力金刚石涂层的方法，其特征在于步骤（B）激光能量为200mJ~2mJ。
4.权利要求1或2所述的一种采用脉冲激光制备高附着力金刚石涂层的方法，其特征在于步骤（E）激光能量为100mJ。
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