[发明专利]一种具有金刚石/碳化硅复合涂层的工具及其制备方法

说明书

本发明提供了一种具有金刚石/碳化硅复合涂层的工具，包括工具基体，以及设置在所述基体上的多层涂层结构，所述多层涂层结构包括碳化硅/金刚石复合涂层，以及金刚石涂层，自基体表面向上，所述碳化硅/金刚石复合涂层和金刚石涂层依次交替排布形成多层结构，且所述多层涂层结构的顶层为金刚石涂层。本发明提供的多层涂层结构中的每一层中均含有金刚石相的连续生长，增强了各层之间的界面结合强度，能够有效降低涂层的内应力，增强薄膜与基体的粘附性，尤其是有利于抵抗工具在切削加工中产生的高强切应力，还可增强在整个涂层厚度方向的整体断裂韧性。本发明还提供了该具有金刚石涂层的工具的制备方法。

技术领域

本发明涉及化学气相沉积金刚石涂层技术领域，特别是涉及一种具有金刚石/碳化硅复合涂层的工具及其制备方法。

背景技术

金刚石作为已知的世界上最硬的材料，因而被视为是切削工具和机械元件的理想涂层材料，在硬质合金(WC-Co)等基体上生长金刚石能大幅提高工具及部件的耐磨性、加工效率等。化学沉积法生长金刚石需要极端苛刻的条件，同时，硬质合金中作为粘结相的金属钴(Co)在金刚石涂层生长过程中会抑制其生长，使基体表面形成非金刚石相。另外，在金刚石涂层与基体的界面上，金刚石晶粒与基体之间存在微小孔隙，减少了金刚石层与基体的接触面积，削弱了薄膜与基体间的结合力；此外，金刚石涂层与基体之间存在较大的热膨胀系数和硬度差异，并且两者之间存在较强的残余热应力，特别是硬质合金刀具较为尖锐的刀刃部位，造成薄膜与基体分层。

目前，提高金刚石涂层与硬质合金基体粘附性的方法主要有：(1)采用化学刻蚀的方法去除硬质合金表面的钴；(2)在金刚石涂层与硬质合金基体之间制备合适的中间层。表面脱钴法虽然在一定程度上能够改善金刚石涂层与基体粘着性，但基体中金属钴的缺失会大大降低基体本身的硬度，而且基体内部未被刻蚀掉的钴仍会向表层扩散促进非金刚石相的形成。而设置中间层(例如制备CrN/Cr、NbN等)能阻止基体中的钴向表面扩散，但是金刚石在这些过渡层上的形核率、生长速率低，且金刚石薄膜与这些中间层之间的粘附性仍未达到工业应用要求。此外，制备过渡层通常还需要引入其它镀膜技术，如磁控溅射等，使制备过程更加复杂，成本更高。

近年来，复合薄膜材料，尤其是金刚石多层复合薄膜被认为是一种优异的强化薄膜粘附性和韧性的新方法。Takeuchi等人制备出微米晶/纳米晶金刚石多层膜结构，此金刚石复合薄膜的弯曲强度比传统的单层多晶金刚石膜增加了约30％。专利CN105216021A和CN103436855在多种刀具材料上制备亚微晶金刚石涂层与超细纳米晶金刚石涂层，克服加工复合材料的刀具易磨损。然而这些涂层仍为纯金刚石涂层，不可避免基体中的钴对金刚石的催化石墨作用。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有金刚石/碳化硅复合涂层的工具，其通过在工具基体上交替沉积碳化硅-金刚石复合涂层、金刚石涂层而形成多层涂层结构，以解决现有金刚石涂层与工具基体(尤其是硬质合金基体)粘附性不足和断裂韧性差的问题。

第一方面，本发明提供了一种具有金刚石/碳化硅复合涂层的工具，包括工具基体，以及设置在所述基体上的多层涂层结构，所述多层涂层结构包括碳化硅/金刚石复合涂层，以及金刚石涂层，自基体表面向上，所述碳化硅/金刚石复合涂层和金刚石涂层依次交替排布形成多层结构，且所述多层涂层结构的顶层为金刚石涂层。

优选地，所述多层涂层结构自基体向上形成(AB)_n的排布形式，其中，A为碳化硅/金刚石复合涂层，B为金刚石涂层，n为2-20的整数。进一步优选地，所述n为3-10的整数。