[发明专利]一种在硬质合金工具刃口涂复金刚石膜的方法

说明书

本发明属于在硬质合金上用化学气相沉积方法制备超硬金刚石涂层工具的技术，采用本发明的技术可以只让金刚石膜在硬质合金工具的尖角和刃口部分生长，大大的提高化学气相沉积金刚石薄膜和衬底之间的结合力，制备出高性能的金刚石薄膜涂层硬质合金工具。

金刚石涂层硬质合金工具已开始在市场上（日本）出现，并已显示出十分卓越的切削性能（在切削高硅铝合金时，可提高工具寿命数十至上百倍，且可大大改善表面加工质量）。但是，由于硬质合金中的钴相的存在，使金刚石薄膜气相生长难以进行。钴促进石墨的生成，因而防碍金刚石的生长并最终导致金刚石膜与硬质合金衬底十分脆弱的结合。针对这一问题，从86年左右起，在日本和美国已有上百个专利发表。这些专利企图通过：（1）尽量减少硬质合金中钴的含量，加入特殊添加剂，或采用非硬质合金衬底;（2）采用酸液浸蚀，电解浸蚀，等离子体浸蚀以及在H₂O-O₂气氛中高温脱碳处理的方法去除硬质合金表面层的钴，（3）施加金属或化合物阻挡层，（4）采用各种表面改性处理方法使衬底表面粗糙化，（5）采用特殊的沉积技术获得制备复杂的多层复合膜，来消除钴的有害影响，增强金刚石薄膜与硬质合金衬底间的结合力，以期获得实用的金刚石涂层硬质合金工具。

除去硬质合金中钴的有害影响之外，化学气相沉积金刚石膜本身存在的内应力也是影响结合力的一个重要因素。美国专利（US PATENT 4919974，4992082，4998421等）采用了一种十分复杂的方法企图解决内应力的问题（见图1）。这种方法的本质是用分散的金刚石颗粒替代连续的金刚石膜。首先在硬质合金工具衬底上沉积一层阻挡层以防止钴的影响，然后在沉积一层分散的金刚石颗粒（不连续的金刚石膜），接着再沉积一层结合层（BONDING LAYER，此层与金刚石颗粒及阻挡层均有很好的结合）。随后再反复地进行金刚石颗粒与结合层的沉积，最终获得一种十分复杂的多层膜系统。显然，这种方法工艺过于复杂，成本过高，而且按此法制备的金刚石涂层工具性能并不理想。日本专利JP03-215669/1991提出了一种更为有效的解决办法，采用化学气相沉积的钽（或薄钽片）作掩膜，只让金刚石在硬质合金工具的尖角或刃口及其附近0.5毫米的区域生长，从而有效地消除内应力的影响，大大地提高金刚石膜涂层工具的使用性能。

本发明的目的在于提供一种与上述方法不同的掩膜方法，实现金刚石膜只在硬质合金工具尖角及刃口及附近局部区域的沉积。

本发明基于以下原理：即在用高能激光束照射经过用金刚石粉末活化（SEEDING）的衬底时，活化质点（很可能是嵌入衬底表面的金刚石粉末碎片）将被激光束烧掉，所以凡是经过激光束处理的区域金刚石的形核将受到抑制。这个原理已为前苏联科学院物理研究所学者（见DD＆ST，3（2）1992∶4）在硅衬底上的工作所证实，但迄今为止尚未见任何采用激光束实现在硬质合金工具尖角和刃口及其附近生长金刚石膜的报道。

本发明包括以下内容（见图2）：1）采用高能激光束照射经过活化（SEEDING）的硬质合金工具衬底，2）用聚乙烯溶液涂（或其它聚合物或塑料的有机溶液）复除工具尖角及刃口及其附近外的所有区域，干燥后即形成聚乙烯掩膜（或其它聚合物或塑料膜），3）将掩膜处理的硬质合金工具衬底在悬浮细金刚石粉的水或有机溶剂的超声波浴中进行活化处理，4）用丙酮或其它有机溶剂除去聚乙烯掩膜，5）采用现存的任何金刚石膜化学气相沉积方法在除去聚乙烯掩膜的工具衬底上生长金刚石膜。采用本发明的方法，金刚石膜只能在未加掩膜的部分，即工具刃口和尖角及其附近生长。