[发明专利]一种金刚石/W-C梯度结构复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金刚石涂层工具制造领域，涉及一种金刚石/W-C梯度结构复合涂层以及在硬质合金工具上制备金刚石/W-C梯度结构复合涂层的方法。

背景技术

目前，切削工具、滑动轴承、拉拔模和各种耐磨元件的材质均为硬质合金。为了延长这些工具的使用寿命，通常在表面制备一层超硬涂层来增加它们的耐磨性能。金刚石集高硬度、高耐磨性、高热导、低摩擦系数、低热膨胀系数和良好的化学稳定性等优异性能于一身。在硬质合金工具表面制备一层具有良好界面结合和低表面粗糙度的金刚石膜后，不仅其使用寿命可提高几倍甚至几十倍，而且有利于提高精细加工和干切削质量，从而避免环境污染和资源浪费。

金刚石薄膜表面光洁度和膜/基结合强度是决定金刚石涂层硬质合金工具使用寿命和加工质量的关键因素。然而，这两个关键因素所对应的问题却一直没有得到同时解决。Soderberg苏德伯格等研究者认为，结合强度低的主要原因可以归纳为三个方面：(1)金刚石涂层形核密度低，导致基体和薄膜之间的界面上存在大量孔隙；(2)硬质合金中作为粘结剂的钴具有促进石墨化的作用，造成膜/基界面处石墨层的形成；(3)金刚石与硬质合金线膨胀、弹性模量、化学及原子结构等存在很大的差异，使得涂层内存在较大的残余应力。其中粘结相钴的负面影响尤其不容忽视。

众所周知，提高金刚石薄膜与硬质合金基体结合强度主要是通过改变膜-基界面状态来实现，如增加膜-基接触面积、阻止石墨相的生成和降低界面应力等。目前改善膜-基界面状态的主要技术途径有(1)基体表面预处理：化学脱钴处理、施加过渡层、形成Co的稳定化合物(如：渗硼处理)；(2)增强金刚石形核率：缺陷增强、种植籽晶、偏压形核。化学法脱钴处理对含Co量较低的硬质合金能有效地提高膜/基结合强度，但是，随着Co含量的增加，Co对金刚石形核抑制作用逐渐增强，要有效地去除基体表面的粘结相Co就必须延长腐蚀时间和增大腐蚀液浓度，这必然导致腐蚀层厚度的增加，使基体产生一层疏松的贫钴层，不仅大大降低了基体表面的强度，而且在基体表面产生大量的深坑，在金刚石薄膜沉积过程中这些深坑无法填充，仍然遗留在膜/基界面处。这些孔洞将直接影响薄膜表面光洁度和涂层工具的力学性能，在涂层工具的使用过程不仅会划伤加工件表面，而且容易成为裂纹源，导致工具的破坏。渗硼处理能使基体表面的Co与B结合形成稳定的化合物，有效地抑制Co的负面影响，提高膜/基结合强度。但是，固、液态渗硼处理均存在基体处理后表面难清理的问题，对于平板基体可以通过打磨、抛光处理，但是对复杂形状基体难以找到合适的清理方法。

施加过渡层不仅需要考虑基体、过渡层、金刚石薄膜三者之间的匹配情况和结合强度，而且需要考虑过渡层是否利于金刚石形核。如采用Ti、Mo、Cu、TiN、TiC等异质过渡层，则多引入了一个界面，由于热膨胀系数的差异，当过渡层过厚时，在金刚石薄膜高温沉积过程中易产生巨大的热应力，导致涂层开裂。当过渡层过薄时，在金刚石薄膜高温沉积过程中粘结相Co容易迁移到基体表面抑制金刚石薄膜的生长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有金刚石涂层硬质合金工具具有的缺陷，提供一种金刚石/W-C梯度结构复合涂层及其制备方法，既解决膜/基结合强度的问题，又保证金刚石薄膜表面光洁度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种金刚石/W-C梯度结构复合涂层，其特征在于：包括W-C梯度结构的过渡层和金刚石耐磨层，所述过渡层由W-C层和WC-Co层组成，所述的耐磨层为金刚石薄膜；所述的W-C层为W∶C依次递增的多层W-C相，其中W∶C原子比≥1∶1。

所述过渡层的厚度为0.5～15μm，所述耐磨层的厚度为1～100μm；所述的W-C层依次包括如下4层：WC、WC_1-x、W₂C和W₃C等；其中x的取值范围为0.34～0.43。

一种金刚石/W-C梯度结构复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对硬质合金试样进行抛光，使得合金表面粗糙度小于50nm；

2)将抛光后样品浸泡在Murakami密勒克明试剂静置腐蚀或通过超声波震荡腐蚀硬质合金试样表面的WC相；(浸蚀时间根据表面光洁度要求设定：1～60分钟)；

3)腐蚀处理后的试样上，采用反应溅射方法制备0.5～15μm厚的含C量呈梯度变化的W-C化合物梯度过渡层(简称为：W-C层)；