[发明专利]纳米金刚石涂层的制备方法及纳米金刚石刀片

说明书

技术领域

本发明属于超硬材料技术领域，具体涉及一种纳米金刚石涂层的制备方法及纳米金刚石刀片。

背景技术

随着超硬材料的种类越来越多，可作为加工切削行业的刀具也越来越多。金刚石刀具由于具有极高的硬度和热导率，以及极低的摩擦系数和热膨胀系数，使之在加工材料行业占有绝对优势，但随着加工行业对加工精度要求的提高，使得一般的金刚石刀具难以满足现状，理想的精加工刀具是要求刀具表面需要极其光滑，使之能够在加工材料过程中提高加工精度。

纳米金刚石刀具，不但保持了块体金刚石所具有的硬度和热导率的优点，还兼具纳米材料的一些特性如较高的表面光洁度。纳米金刚石在结构上主要以SP³杂化键连接而成的某种网状结构，保证了在切削过程中的精度，相比于微米金刚石涂层具有更低的表面粗糙度、更低的摩擦系数，更适用于精加工领域。但由于硬质合金基体中存在钴的粘结相，钴往往会促进石墨相生长，进而导致沉淀金刚石涂层与硬质合金基体之间的结合力减弱，从而使得现有的金刚石涂层刀具的精度不够好，使用寿命比较短。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

由鉴于此，本发明确有必要提供一种纳米金刚石涂层的制备方法及一种利用上述制备方法制造的具有加工精度高、使用寿命长且与硬质合金基体结合紧密的纳米金刚石刀片，以解决上述问题。

本发明提供的技术方案主要是通过在硬质合金基体表面首先沉积一层过度层，然后在所述过渡层表面再利用化学气相沉积法沉积一层纳米金刚石涂层，以改善所述纳米金刚石涂层与所述硬质合金基体之间的结合力。具体地，本发明提供一种纳米金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤：

沉积过渡层：采用物理气相沉积法在硬质合金基体表面沉积一层过渡层，获得含有过渡层的硬质合金基体；

超声清洗：将所述含有过渡层的硬质合金基体置于超纳米金刚石悬浮液中进行超声清洗20～50min，经干燥处理后获得硬质合金沉淀前处理体；

沉积纳米金刚石涂层：采用化学气相沉积法在所述硬质合金沉淀前处理体表面沉积一层纳米金刚石涂层，制得纳米金刚石涂层。

基于上述，所述过渡层的厚度为3～5μm，所述过渡层的沉淀材料包括钼、钛、铬、铌、镍、氮化硅、氧化铝中的一种或几种材料的组合。

基于上述，所述物理气相沉积方法为磁控溅射法或电弧离子镀法。

基于上述，所述化学气相沉积法为热丝化学气相沉积法或微波等离子体化学气相沉积法。

基于上述，所述热丝化学气相沉积法的具体工艺为：在压力为2kPa，温度为2300℃～2500条件下，利用热丝化学气相沉积法，以H₂、CH₄为反应气体源在所述钨钴合金沉淀前处理体上反应6～8小时形成纳米金刚石涂层，其中，CH₄气体体积在总反应气体源体积的1%～5%。

基于上述，所述微波等离子体化学气相沉积法的具体工艺为：在压力为13kPa，温度为700℃～900℃条件下，利用微波等离子体化学气相沉积法，以H₂、CH₄为反应气体源在所述钨钴合金沉淀前处理体上反应6～10小时形成纳米金刚石涂层，其中，微波功率为7kW，CH₄气体体积在总反应气体源体积的1%～5%。

基于上述，所述超纳米金刚石悬浮液的制备步骤具体包括：

首先将平均粒径为4～50nm的超纳米金刚石颗粒悬浮在溶剂中，配制成颗粒数目浓度为10¹⁷～10²⁰/g的浓超纳米金刚石悬浮液；然后取2～5mL所述浓超纳米金刚石悬浮液滴入10～50mL的超纯水中，搅拌均匀进行稀释从而制得所述超纳米金刚石悬浮液；其中，所述超纯水是指电阻率大于15M?·cm的去离子水。

本发明还提供一种纳米金刚石刀片，包括刀片基体和依次沉积在所述刀片基体表面的过渡层和纳米金刚石涂层，所述纳米金刚石涂层是由所述的纳米金刚石涂层的制备方法制备的。

优选地，所述纳米金刚石涂层中的纳米金刚石颗粒的平均粒径为30～100nm。

优选地，所述纳米金刚石涂层的表面粗糙度为50～100nm。