CN105624677A

CN105624677A - 硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法

Info

Publication number: CN105624677A
Application number: CN201410607631.XA
Authority: CN
Inventors: 李春广; 龚兴华; 孟鹤; 朱伟
Original assignee: Nanjing Zhongche Puzhen Urban Rail Vehicle Co Ltd
Current assignee: Nanjing Zhongche Puzhen Urban Rail Vehicle Co Ltd
Priority date: 2014-11-03
Filing date: 2014-11-03
Publication date: 2016-06-01
Anticipated expiration: 2034-11-03
Also published as: CN105624677B

Abstract

本发明公开了一种硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法，解决现有技术中复合涂层表面不平整、易剥落导致刀具易磨损，使用寿命短的技术问题。该方法包括：采用酸碱两步法对硬质合金刀具的表面进行预处理；采用热丝化学气相沉积装置在预处理后的硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜，金刚石薄膜的沉积包括：形核阶段和生长阶段；采用直流磁控溅射法沉积TiAlN薄膜，TiAlN薄膜沉积包括依次进行的：金刚石微粉抛光、有机溶剂超声清洗、辉光轰击清洗以及TiAlN薄膜的生长阶段。采用本发明制备的复合涂层具有优异的膜-基附着强度，不易出现薄膜剥落的技术问题，显著增加了刀具的耐磨、耐高温性能，大大延长了刀具的使用寿命。

Description

硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法

技术领域

本发明涉及一种复合涂层制备方法，特别涉及一种硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法。

背景技术

化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition，CVD）金刚石薄膜具有许多接近天然金刚石的优异性能，如硬度高、弹性模量大，摩擦系数低、耐磨性强以及表面化学性能稳定等。CVD金刚石薄膜的制备不受基体形状的制约，能够直接沉积在多种复杂形状基体的表面，因此，它非常适合作为耐磨、减摩以及保护性涂层材料应用于各种刀具外表面，从而达到提高刀具耐磨性、延长刀具使用寿命等目的。

CVD金刚石薄膜与刀具基体之间的附着强度以及薄膜的表面特性是影响其工作寿命及加工性能的决定性因素。根据薄膜表面质量和结构成分的不同，CVD金刚石薄膜通常可被分为微米金刚石薄膜（MicrocrystallineDiamondFilms,MCD）和纳米金刚石薄膜（NanocrystallineDiamondFilms,NCD），两者应用在刀具表面时均存在一定缺陷。MCD薄膜是由微米级柱状多晶金刚石晶粒组成的，具有非常优异的耐磨性，并且与刀具基体之间具有良好的附着强度，这能够大幅提高涂层刀具的工作寿命。然而，常规MCD薄膜表面的金刚石晶粒粗大、不均匀，薄膜表面较为粗糙，且很难进行表面抛光处理。在加工过程中，金刚石晶粒尖锐的棱角会导致加工过程中产生应力集中，造成金刚石晶粒沿晶界断裂，最终导致薄膜脱落而使刀具失效。此外，MCD粗糙的表面会导致刀具与工件材料接触时产生较大的磨损以及较高的切削力，从而影响涂层刀具的工作寿命。与MCD薄膜相比，NCD薄膜的晶粒尺寸一般小于100nm，表面光滑平整，具有良好的表面质量。但是，NCD薄膜与复杂形状硬质合金基体之间附着强度较弱，耐磨性差，并且具有较高的内应力，这些缺陷会导致其在加工过程中过快磨损或从基体上剥落，严重影响涂层刀具的工作寿命。此外，金刚石薄膜较高的热传导系数使得刀具在在加工过程中吸收较多热量，从而使得薄膜更易脱落。

经对现有技术的文献检索发现，沈彬等人在论文《超光滑金刚石复合薄膜的制备、摩擦学性能及应用研究》中提出在硬质合金基体表面先沉积一层微米金刚石薄膜，然后采用机械抛光技术对MCD薄膜表面进行表面抛光平整处理，随后在经过表面抛光处理的MCD薄膜表面原位继续沉积一层纳米金刚石薄膜，如此交替进行“表面抛光处理”以及“原位沉积NCD薄膜”工艺2~3次后，金刚石薄膜表面会被逐渐平整到具有原子级表面粗糙度。然而，这项技术仍存在一定的不足。首先，在金刚石涂层表面原位沉积NCD薄膜虽然在一定程度上改善了涂层的表面质量，但NCD薄膜本身内应力较大的缺陷仍然存在，在加工过程中容易引起薄膜剥落，影响涂层刀具的使用寿命。其次，金刚石复合薄膜的热导率还是很高，导致加工时刀具上的温度过高，尤其是加工难加工材料时，采用上述文献中公开的工艺无法有效解决这一问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法，解决现有技术中复合涂层表面不平整、易剥落导致刀具易磨损，使用寿命短的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：预处理：采用酸碱两步法对硬质合金刀具的表面进行预处理；

步骤二：金刚石薄膜沉积：采用热丝化学气相沉积装置在预处理后的硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜，金刚石薄膜的沉积包括：形核阶段和生长阶段；

步骤三：TiAlN薄膜沉积：采用直流磁控溅射法沉积TiAlN薄膜，TiAlN薄膜沉积包括依次进行的：金刚石微粉抛光、有机溶剂超声清洗、辉光轰击清洗以及TiAlN薄膜的生长阶段。

金刚石薄膜的形核阶段所采用的沉积参数为：甲烷流量为16sccm、氢气流量为800sccm，氩气流量250sccm，反应气体压力为17.5～18.5Torr，偏流为3.0～4.0A，沉积时间为0.5小时，衬底表面温度为700～800℃。

金刚石薄膜的生长阶段所采用的沉积参数为：反应气体压力为35～40Torr，偏流为2.0～3.0A，沉积时间为6～10小时，衬底表面温度为700～800℃。

所述金刚石微粉抛光采用粘有金刚石微粉悬浮液的砂纸手工抛光。

所述有机溶剂超声清洗即将抛光过的刀具先后置于丙酮和乙醇溶液中各超声清洗10分钟。

所述辉光轰击清洗即将刀具置于真空溅射室内，打开氮气、氩气气体控制阀，调节励磁功率至50W，持续1分钟。

所述TiAlN薄膜的生长阶段的工艺参数为：氩气流量20sccm，氮气流量8sccm，溅射真空室工作气压2.7×10^-3~3.1×10^-3Torr，持续时间1~2小时。

与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：1、采用本发明制备的复合涂层具有优异的膜-基附着强度，不易出现薄膜剥落的技术问题，显著增加了刀具的耐磨、耐高温性能，大大延长了刀具的使用寿命；2、能够产生金刚石晶粒尺寸在1μm以下的金刚石，易于抛光打磨，薄膜表面光滑平整，减少了切削阻力，同时具有较低的内应力，避免金刚石薄膜沿晶界断裂，进一步增强了膜-基附着强度；3、采用该工艺制备的细晶粒金刚石/TiAlN复合涂层刀具能够承受更高的切削温度，其工作寿命可提高3～5倍，具有极其优异的切削加工性能。

附图说明

图1是本发明的操作流程图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明的操作流程图，主要包括预处理、金刚石薄膜沉积和TiAlN薄膜沉积，具体步骤如下：

步骤一：预处理：采用酸碱两步法对硬质合金刀具的表面进行预处理；酸碱两步法主要用于去除硬质合金刀具表面附着力较差的WC颗粒。

步骤二：金刚石薄膜沉积：采用热丝化学气相沉积装置在预处理后的硬质合金刀具表面沉积金刚石薄膜，金刚石的晶粒尺寸在1μm以下。金刚石薄膜的沉积包括：形核阶段和生长阶段。

步骤三：TiAlN薄膜沉积：采用直流磁控溅射法沉积TiAlN薄膜，TiAlN薄膜沉积包括依次进行的：

（1）金刚石微粉抛光：金刚石微粉抛光采用粘有金刚石微粉悬浮液的砂纸手工抛光。

（2）有机溶剂超声清洗：即将抛光过的刀具先后置于丙酮和乙醇溶液中各超声清洗10分钟。

（3）辉光轰击清洗：即将刀具置于真空溅射室内，打开氮气、氩气气体控制阀，调节励磁功率至50W，持续1分钟。

（4）TiAlN薄膜的生长阶段：TiAlN薄膜的生长阶段的工艺参数为：氩气流量20sccm，氮气流量8sccm，溅射真空室工作气压2.7×10^-3~3.1×10^-3Torr，持续时间1~2小时。

下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

在高速列车车体铝合金型材专用硬质合金立铣刀表面沉积金刚石/TiAlN复合涂层，刀具直径32mm，刃长80mm，长度110mm，具体步骤如下：

（1）将硬质合金刀具的刀刃部分浸泡在Murakami溶液中进行30分钟超声清洗，使硬质合金表层的碳化钨（WC）颗粒碎裂，并导致基体表面粗化。Murakami溶液的成分为氢氧化钾（KOH）、铁***（K₃(Fe(CN)₆)）和水（H₂O），其质量配比为KOH：K₃(Fe(CN)₆)：H₂O=1:1:10。随后将硬质合金基体浸泡在Caro混合酸溶液中进行1分钟的刻蚀以去除其表层的钴元素。Caro混合酸溶液的成分为浓硫酸（H₂SO₄）和双氧水（H₂O₂），其体积配比为H₂SO₄：H₂O₂=1:10。最后将酸碱预处理过的硬质合金刀具用金刚石微粉研磨5分钟以去除表层附着力较差的WC颗粒。

（2）将预处理好的硬质合金刀具置于热丝CVD设备的反应室进行沉积金刚石薄膜的形核阶段。沉积过程中，刀具竖直摆放在样品台中心，热丝置于刀具两侧，沉积时刀具随着样品台匀速旋转。形核阶段所采用的沉积参数为：甲烷流量为16sccm、氢气流量为800sccm，氩气流量250sccm，反应气体压力为17.5Torr，偏流为3.5A，沉积时间为0.5h，衬底表面温度为700～800℃。

（3）形核阶段结束后，进入生长阶段：将反应气体压力升至35Torr，偏流降至为2.0A，保持反应气体流量以及衬底温度不变，持续时间为10h。结果表明，该实验参数下能获得较细晶粒的金刚石薄膜，金刚石晶粒尺寸在1μm以下，涂层厚度8~9μm。

（4）用粘有金刚石微粉悬浮液的砂纸手工抛光沉积出的金刚石薄膜，该步骤主要是将其表面较为尖锐的凸峰及尖角处磨平，使得薄膜的表面更为平整。随后将涂层刀具置于丙酮溶液中超声清洗10分钟，该步骤是为了更好地去除油迹，同时溶解清除衬底试样表面的杂质。之后用无水乙醇超声清洗10分钟，主要是为了清除残余丙酮并对试样表面进行脱水，最后将衬底置于空气中风干。

（5）将刀具置于真空溅射室内，调用抽气程序对真空溅射室进行抽气，背底真空抽至3.0×10^-6Torr，然后打开氮气、氩气气体控制阀，加热刀具试样到指定温度，打开直流溅射电源调节励磁功率至50W，慢通入高纯度氩气。真空溅射室开始进行辉光放电，然后辉光清洗刀具持续一分钟。辉光轰击清洗的主要作用是将刀具表面吸附的气体、杂质原子以及工件表面层碰撞下来，即活化了金属表面以提高膜基的结合力。

（6）打开挡板之后连接靶材，对钛铝靶材清洗5分钟左右后，再慢慢通入高纯度氮气开始沉积TiAlN涂层，沉积工艺参数为：氩气流量20sccm，氮气流量8sccm，溅射真空室工作气压3.0×10^-3Torr，持续时间2小时。经过该阶段后，金刚石薄膜表面沉积了一层2~3μm的TiAlN涂层。

（7）磁控溅射沉积TiAlN涂层完成后，关闭电源，刀具试样温度降至指定温度后调用排气程序进行放气，真空溅射室内气压升至5.0×10²Torr左右溅射室门自动打开，取出刀具试样。

采用上述方法可在具有复杂形状外表面的硬质合金立铣刀表面制备一层光滑平整、膜基附着强度优异的金刚石/TiAlN复合涂层，涂层厚度约为10~12μm。在加工高速列车铝合金车体侧墙的过程中，金刚石/TiAlN复合涂层立铣刀的工作寿命比一般的金刚石涂层铣刀提高了2~3倍，比TiAlN涂层立铣刀提高了1~2倍，比硬质合金铣刀更是提高了6～8倍。在整个切削过程中涂层刀具表面无薄膜脱落现象，表现出良好的膜基附着强度。

实施例二：

在SiC颗粒增强铝基复合材料加工用硬质合金可转位车刀片表面沉积金刚石/TiAlN复合涂层，具体步骤如下：

（1）采用与实施例1相同的方法将硬质合金可转位车刀片进行酸碱预处理。

（2）将预处理好的硬质合金可转位车刀片置于热丝CVD设备的反应室进行沉积金刚石薄膜的形核阶段。沉积过程中，车刀片由带有台阶的不锈钢柱支撑，不锈钢柱插在带有通孔的铜块上，这样不仅可以稳固其支撑作用，还可以增强导热作用。热丝置于刀具两侧，形核阶段所采用的沉积参数为：甲烷流量为16sccm、氢气流量为800sccm，氩气流量250sccm，反应气体压力为17.5Torr，偏流为4.0A，沉积时间为0.5h，衬底表面温度为700～800℃。

（3）形核阶段结束后，将反应气体压力升至40Torr，偏流降至为2.0A，保持反应气体流量以及衬底温度不变，持续时间为10h。结果表明，该实验参数下能获得较细晶粒的金刚石薄膜，金刚石晶粒尺寸在1μm以下，涂层厚度10μm左右。

（4）采用与实施例1相同的抛光、清洗工艺对衬底车刀片进行处理。

（5）调节溅射室的气压至3.0×10^-3Torr，通入流量为20sccm的氩气，以及8sccm的氮气，持续溅射时间1小时。经过该阶段后，金刚石薄膜表面沉积了一层1~2μm的TiAlN涂层。

（6）磁控溅射沉积TiAlN涂层完成后，关闭电源，随炉冷却30分钟后取出刀具试样。

采用上述方法可在硬质合金车刀片表面制备一层光滑平、膜基附着强度优异的金刚石/TiAlN复合涂层，涂层厚度约为10~12μm。在加工SiC颗粒增强铝基复合材料的过程中，涂层刀片表面无薄膜脱落现象，属于正常磨损。其加工寿命是一般微米金刚石涂层刀片的3倍，是未涂层车刀片的10倍左右。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法，其特征在于，金刚石薄膜的形核阶段所采用的沉积参数为：甲烷流量为16sccm、氢气流量为800sccm，氩气流量250sccm，反应气体压力为17.5～18.5Torr，偏流为3.0～4.0A，沉积时间为0.5小时，衬底表面温度为700～800℃。

3.根据权利要求1所述的硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法，其特征在于，金刚石薄膜的生长阶段所采用的沉积参数为：反应气体压力为35～40Torr，偏流为2.0～3.0A，沉积时间为6～10小时，衬底表面温度为700～800℃。

4.根据权利要求1所述的硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法，其特征在于，所述金刚石微粉抛光采用粘有金刚石微粉悬浮液的砂纸手工抛光。

5.根据权利要求1所述的硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法，其特征在于，所述有机溶剂超声清洗即将抛光过的刀具先后置于丙酮和乙醇溶液中各超声清洗10分钟。

6.根据权利要求1所述的硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法，其特征在于，所述辉光轰击清洗即将刀具置于真空溅射室内，打开氮气、氩气气体控制阀，调节励磁功率至50W，持续1分钟。

7.根据权利要求1所述的硬质合金刀具表面金刚石/TiAlN复合涂层制备方法，其特征在于，所述TiAlN薄膜的生长阶段的工艺参数为：氩气流量20sccm，氮气流量8sccm，溅射真空室工作气压2.7×10^-3~3.1×10^-3Torr，持续时间1~2小时。