專利名稱：刀具表面摻硼金剛石復合涂層制備裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種刀具制造技術領域的裝置，具體是一種用于復雜形狀硬質合
金刀具表面摻硼金剛石復合涂層制備裝置。
背景技術：
金剛石薄膜具有許多接近天然金剛石的優異性能，如硬度高、彈性模量大，摩擦 系數低、耐磨性強以及表面化學性能穩定等，因此，金剛石薄膜作為耐磨、減摩或保護性 涂層材料在工模具和耐磨器件領域具有廣闊的應用前景?；瘜W氣相沉積法(Chemical V即orD印osition，簡稱CVD法)制備金剛石薄膜不受基體形狀的制約，能夠直接沉積在復 雜形狀基體的表面，非常適合用于制備復雜形狀金剛石薄膜涂層刀具。然而，復雜形狀刀具 自身的結構特點和性能要求使得它對刀具基體表面預處理工藝、CVD金剛石薄膜的沉積裝 置和沉積工藝均有特殊要求，并且硬質合金刀具中的粘接相鈷對金剛石薄膜具有催石墨化 作用，這導致了沉積在復雜形狀硬質合金刀具表面的CVD金剛石薄膜與基體之間的附著強 度較低，薄膜表面質量差，這極大地制約了復雜形狀金剛石薄膜涂層刀具的產業化。
經過對文獻的檢索發現，為提高金剛石薄膜與硬質合金基體之間的附著強度，普 遍采用的預處理方法包括酸刻蝕、等離子弧刻蝕、化學反應替代、熱機械處理以及添加中間 過渡層等。然而，這些預處理方法雖然能夠在一定程度上改善金剛石薄膜與復雜形狀硬質 合金刀具基體之間的附著力，但是隨著金剛石薄膜沉積過程的延長，這些方法對于鈷的抑 制作用將逐漸減弱，效果并不理想。F. X. Lu等人在《Diamond and Related Materials》 2006年第15期第2039頁發表的"Novel pretreatment of hard metal substrate for betterperformance of diamond coated cutting tools，，一文中提出了通過對硬質合金刀 具基體進行滲硼預處理的方法提高金剛石薄膜的附著強度。該方法在硬質合金基體表面滲 硼，使硼元素與基體表層的鈷元素發生化學反應生成穩定的硼鈷化合物，從而阻止鈷元素 向基體表層的擴散，抑制其對金剛石薄膜質量的影響，是一種提高膜基附著強度的新型預 處理方法。然而，這種方法是在金剛石薄膜生長之前，在靜態的條件下對刀具基體進行滲硼 處理，它雖然能夠在一定程度上抑制刀具基體內部的鈷元素向表面擴散，但是該靜態滲硼 預處理的需要在高溫條件下進行，不僅操作過程復雜，耗時耗能，而且極易改變刀具的材料 性能。此外，該方法同樣無法在長時間高溫沉積金剛石薄膜的過程中有效抑制硬質合金基 體內部鈷元素向基體表面熱擴散。

發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種刀具表面摻硼金剛石復合涂層制 備裝置，能夠保證金剛石復合薄膜與基體之間具有良好的附著強度，并且能夠有效改善金 剛石薄膜的表面質量和均勻性，從而提高金剛石薄膜涂層刀具的使用壽命和切削性能。
本發明是通過以下技術方案實現的， 本發明包括反應罩、合金鉆頭、支撐臺及冷卻裝置、直流偏壓電源、熱絲電源、氣
3壓控制裝置、耐高溫彈簧、熱絲和鉆頭支架，其中合金鉆頭和耐高溫彈簧分別豎直設置于 鉆頭支架上，熱絲的兩端分別與耐高溫彈簧相連接，鉆頭支架固定設置于支撐臺及冷卻裝 置上，反應裝置固定設置于支撐臺及冷卻裝置以及鉆頭支架的外部并與氣壓控制裝置相連 接，直流偏壓電源分別于熱絲及反應罩外殼相連，熱絲電源的分別與熱絲及耐高溫彈簧相 連。 所述的熱絲共兩根，該兩根熱絲位于合金鉆頭的兩側同一平面內、且成平行等間 距排列，兩根熱絲的兩端相連接； 所述的熱絲電源的加熱溫度為2000-2400°C ; 所述的反應罩上設有氣體入口和觀察窗，其中氣體入口位于反應罩的頂部，觀察 窗位于反應罩的側面。 本發明通過利用熱絲化學氣相沉積裝置，在復雜形狀硬質合金基體表面沉積了由 不同摻硼濃度的金剛石薄膜復合而成的摻硼金剛石復合薄膜。摻硼金剛石復合薄膜既具有 良好的附著強度，又具有均勻的表面質量。 本發明將復雜形狀硬質合金刀具豎直放于兩根熱絲中間，使其與兩根熱絲平行并 保持等間距。在沉積過程中，復雜形狀硬質合金刀具在工作臺的帶動下繞其自身軸心旋轉， 這樣即能保證刀具基體表面各部位具有一致的溫度場分布，又能保證刀具基體周圍碳源濃 度及硼源濃度的均勻性，從而為金剛石薄膜提供了良好的生長環境，保證了金剛石薄膜的 厚度、表面質量及均勻性； 然后采用上述經過改進的熱絲化學氣相沉積裝置，以氫氣、丙酮的混合物為反應 氣體，以溶解于丙酮溶液中的硼酸三甲酯為摻雜硼源，在復雜形狀硬質合金刀具基體上沉 積摻硼金剛石薄膜； 最后，降低溶解于丙酮溶液中的硼酸三甲酯的濃度，在高濃度摻硼金剛石薄膜表 面繼續原位沉積低濃度摻硼金剛石薄膜，從而在硬質合金基體表面制備得到了由不同濃度 摻硼金剛石薄膜復合而成的摻硼金剛石復合薄膜。 本發明操作簡單，應用方便，適用于在復雜形狀硬質合金刀具表面沉積附著強度 高，表面均勻的金剛石薄膜，有助于促進金剛石薄膜在復雜形狀硬質合金刀具領域的應用， 具有光明的產業化前景和顯著的經濟效益。


圖l為本發明示意圖。
具體實施例方式
下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。 如圖1所示，本實施包括反應罩1、合金鉆頭2、支撐臺及冷卻裝置3、直流偏壓電 源4、熱絲電源5、氣壓控制裝置6、耐高溫彈簧7、熱絲8和鉆頭支架9，其中合金鉆頭2和 耐高溫彈簧7分別豎直設置于鉆頭支架9上，熱絲8的兩端分別與耐高溫彈簧7相連接，鉆 頭支架9固定設置于支撐臺及冷卻裝置3上，反應裝置固定設置于支撐臺及冷卻裝置3以
4及鉆頭支架9的外部并與氣壓控制裝置6相連接，直流偏壓電源4分別于熱絲8及反應罩1外殼相連，熱絲電源5的分別與熱絲8及耐高溫彈簧7相連。 所述的熱絲8共兩根，該兩根熱絲8位于合金鉆頭2的兩側同一平面內、且成平行
等間距排列，兩根熱絲8的兩端相連接； 所述的熱絲電源5的加熱溫度為2000-2400°C ; 所述的反應罩1上設有氣體入口 IO和觀察窗11，其中氣體入口 IO位于反應罩1的頂部，觀察窗11位于反應罩1的側面。 本實施例先采用酸堿兩步法對硬質合金鉆頭表面進行預處理。首先，將硬質合金鉆頭浸泡在Murakami溶液中進行30分鐘超聲清洗，這使得硬質合金表層的碳化鎢(WC)顆粒碎裂，從而導致襯底表面粗化。Murakami溶液的成分為氫氧化鉀(K0H)、鐵氰化鉀(K3(Fe(CN)6))和水(H20)，其質量配比為K0H : K3(Fe(CN)6) : H20 = 1 : 1 : 10。隨后，將硬質合金鉆頭浸泡在Caro混合酸溶液中進行l分鐘的刻蝕以去除襯底表層的鈷元素(Co)。Caro混合酸溶液的成分為濃硫酸(H2S04)和雙氧水(H202)，其體積配比為H2S04 : H202 =1 ! 10。 然后，將硬質合金鉆頭豎直放在一圓形石墨塊上，石墨塊中心處鉆有圓形孔以固定鉆頭，再將將石墨塊置于樣品支撐架上。按照圖1所示的熱絲布置，將兩根直徑為fO. 6mm鉭絲垂直放置，并用耐高溫彈簧拉直固定，保持兩熱絲的軸心與鉆頭的軸心在同一平面內成平行等間距排列，熱絲距離鉆頭表面距離約3-4mm，熱絲頂端高于鉆頭5_8mm。
接著，采用熱絲化學氣相沉積法，以氫氣、丙酮的混合物為反應氣體，以溶解于丙酮溶液中的硼酸三甲酯為摻雜硼源，在復雜形狀硬質合金刀具基體上沉積高濃度摻硼金剛石薄膜。沉積工藝參數為壓力3-5KPa，反應氣體總流量250毫升/分，丙酮/氫氣體積比(碳源濃度)為2%，丙酮溶液中硼酸甲酯濃度為0.5%，熱絲溫度2200+/-501:，基體溫度800+/-501:，偏流為1A。經過2小時的沉積后，可在復雜形狀硬質合金鉆頭基體表面制備得到厚度約4微米的高濃度摻硼金剛石薄膜。 最后，在高濃度摻硼金剛石薄膜表面繼續原位沉積低濃度摻硼金剛石薄膜。將丙酮溶液中硼酸三甲酯的濃度降低至O. 1%，其余沉積參數保持不變，繼續進行3小時的沉積，可以沉積一層厚度約6微米的低濃度的摻硼金剛石薄膜，從而在硬質合金基體表面制備得到了摻硼金剛石復合薄膜。 本實例中制備得到的摻硼金剛石復合薄膜，不僅與復雜形狀硬質合金基體之間具有良好的附著強度，并且薄膜表面粗糙度低，摩擦系數小，殘余應力進一步降低。
權利要求
一種刀具表面摻硼金剛石復合涂層制備裝置，包括反應罩、合金鉆頭、支撐臺及冷卻裝置、直流偏壓電源、熱絲電源、氣壓控制裝置、耐高溫彈簧、熱絲和鉆頭支架，其特征在于合金鉆頭和耐高溫彈簧分別豎直設置于鉆頭支架上，熱絲的兩端分別與耐高溫彈簧相連接，鉆頭支架固定設置于支撐臺及冷卻裝置上，反應裝置固定設置于支撐臺及冷卻裝置以及鉆頭支架的外部并與氣壓控制裝置相連接，直流偏壓電源分別于熱絲及反應罩外殼相連，熱絲電源的分別與熱絲及耐高溫彈簧相連。
2. 根據權利要求1所述的刀具表面摻硼金剛石復合涂層制備裝置，其特征是，所述的 熱絲共兩根，該兩根熱絲位于合金鉆頭的兩側同一平面內、且成平行等間距排列，兩根熱絲 的兩端相連接。
3. 根據權利要求1所述的刀具表面摻硼金剛石復合涂層制備裝置，其特征是，所述的熱絲電源的加熱溫度為2000-2400°C。
4. 根據權利要求1所述的刀具表面摻硼金剛石復合涂層制備裝置，其特征是，所述的反應罩上設有氣體入口和觀察窗，其中氣體入口位于反應罩的頂部，觀察窗位于反應罩的側面。
全文摘要
一種刀具制造技術領域的刀具表面摻硼金剛石復合涂層制備裝置，包括反應罩、合金鉆頭、支撐臺及冷卻裝置、直流偏壓電源、熱絲電源、氣壓控制裝置、耐高溫彈簧、熱絲和鉆頭支架，其中合金鉆頭和耐高溫彈簧分別豎直設置于鉆頭支架上，熱絲的兩端分別與耐高溫彈簧相連接，鉆頭支架固定設置于支撐臺及冷卻裝置上，反應裝置固定設置于支撐臺及冷卻裝置以及鉆頭支架的外部并與氣壓控制裝置相連接，直流偏壓電源分別于熱絲及反應罩外殼相連，熱絲電源的分別與熱絲及耐高溫彈簧相連。能夠保證金剛石復合薄膜與基體之間具有良好的附著強度，并且能夠有效改善金剛石薄膜的表面質量和均勻性，從而提高金剛石薄膜涂層刀具的使用壽命和切削性能。
文檔編號C23C16/26GK101736323SQ20091031189
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月21日 優先權日2009年12月21日
發明者孫方宏, 張志明, 沈彬, 沈荷生, 郭松壽 申請人:上海交通大學