[发明专利]一种采用脉冲激光制备高附着力金刚石涂层的方法

说明书

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，