[发明专利]一种在硬质合金上为金刚石涂层制备金刚石-碳化硅-硅化钴复合中间层的方法

说明书

技术领域

本发明属于化学气相沉积(CVD)金刚石涂层技术领域，涉及到一种提高CVD金刚石涂层粘附性的方法，特别涉及到一种在硬质合金上制备金刚石-碳化硅-硅化钴复合中间层的方法。

背景技术

硬质合金(WC-Co)具有硬度高、耐磨、耐热、较高断裂韧性等优良的综合性能，主要作为刀具材料广泛应用于机械加工领域。此外，硬质合金还用于制作工具、模具及耐磨部件。金刚石具有已知物质中最高的硬度、低摩擦系数、最高的热导率以及极高的化学稳定性等优异性能。用化学气相沉积法(CVD)在硬质合金工具及部件上涂覆金刚石薄膜将大幅度提高工具及部件的耐磨性、寿命，并且提高加工效率和加工精度。

在硬质合金基体上涂覆CVD金刚石薄膜的研究虽然开展了二十余年，但CVD金刚石涂层与硬质合金基体的粘附性仍不能满足工业应用的要求。目前，CVD金刚石薄膜粘附性不足的问题已成为其应用的主要障碍。

CVD金刚石涂层与硬质合金基体粘附性不足的主要原因有：1)硬质合金中作为粘结相的钴，在化学气相沉积过程中有催化石墨的作用，在金刚石薄膜与基体的界面上，促进非金刚石相形成；2)在金刚石薄膜与基体的界面上，金刚石晶粒与基体之间存在微小孔隙。这些微小孔隙的存在，减少了金刚石薄膜与基体的接触面积，削弱了薄膜与基体的结合力；3)金刚石与硬质合金的热膨胀系数差异大，在金刚石薄膜沉积后的冷却过程中，在金刚石涂层中产生大的热应力，尤其是涂层边缘处产生高的切应力，切应力峰值导致涂层在使用过程中从基体剥落。

目前，提高CVD金刚石涂层与硬质合金基体粘附性主要有两条途径：一是采用化学刻蚀的方法去除硬质合金表面的钴；二是在金刚石涂层与硬质合金之间沉积合适的中间层，以阻止基体中的钴向表面扩散。

采用化学刻蚀的方法虽然能够去除硬质合金表面的钴，但在沉积金刚石薄膜的条件下(通常基体温度为700℃-900℃)，基体内部未被刻蚀掉的钴会向表层扩散。扩散出来的钴依然会抑制金刚石的形核与生长，促进非金刚石相的形成。况且化学刻蚀去钴的方法不能降低CVD金刚石涂层中的产生切应力峰值应力，从而避免涂层剥落的问题。

迄今为止，人们已研究出了多种适合于金刚石与硬质合金的中间层，如Cr、CrN、TiN/TiC等等，但是由于需引入其它镀膜技术，如磁控溅射技术，使制备过程复杂，成本高。

与本发明最接近的中间层有金刚石-碳化硅复合膜、碳化硅薄膜及硅化钴薄膜。1)专利(Jiang.Xin，Klages，Calus-Peter，Diamant-Siliciumcarbid-MischschichtVerfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung，Patent DE 42 10 508 C1(1993))和文献(Vadali V.S.S.Srikanth，Xin Jiang，ArnoDeposition ofdiamond/β-SiC nanocomposite films onto a cutting tool material，Surface &Coatings Technology 204(2010)2362)采用微波等离子体CVD法或热丝CVD法，用氢气、甲烷和四甲基硅烷制备金刚石-碳化硅复合膜，但是没有利用钴化硅，粘附性能有待提高；2)文献(Gil Cabrl，JanLindner，JoséGrácio，Riccardo Polini，A study of diamond film deposition on WC-Co inserts for graphitemachining：Effectiveness of SiC interlayers prepared by HFCVD，Diamond Relat.Mater.17(2008)1008)采用热丝CVD法，用氢气和四甲基硅烷在WC-6％Co硬质合金上沉积碳化硅中间层，但是在CVD金刚石薄膜的沉积过程中不能完全阻止Co向表面扩散。另外中间层中不含金刚石，无法通过调节中间层中金刚石的含量来调节金刚石薄膜中热应力，有效地减小热应力，因此粘附性仍有等提高；4)专利(一色秀夫，金刚石薄膜的涂膜法及包覆金刚石的硬质合金部件，专利CN200580018812.8(2007))采用各种CVD法，通入硅原料气体，在硬质合金上形成硅化钴(CoSi、CoSi₂)，但是制得的硅化钴中间层，其热膨胀系数比硬质合金更大，不能降低金刚石薄膜中的切应力峰值。