本發明涉及金剛石涂層制備技術領域，特別是涉及一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件及其制備方法。

背景技術：

金剛石涂層硬質合金刀具由于具有優異的性能而受到人們的廣泛關注，但由于金剛石涂層與硬質合金刀具之間的粘合力不足，從而極大阻礙了該刀具的應用，成為工業發展中的主要瓶頸。而導致金剛石薄膜在切削刀具上的粘附性不足的主要原因有：(1)硬質合金基體中的粘結劑Co抑制金剛石生長，而有利于粘附性差的石墨沉積；(2)在金剛石薄膜與基體的界面上，金剛石晶粒與基體之間存在微小孔隙，這些微小孔隙的存在，減少了金剛石薄膜與基體的接觸面積，削弱了薄膜與基體間的結合力；(3)金剛石膜與基體材料之間熱膨脹系數相差很大，并且兩者之間存在較強的殘余熱應力，特別是硬質合金刀具較為尖銳的刀刃部位，造成薄膜與基體分層。

目前，為提高金剛石涂層與硬質合金基體粘附性主要有兩條途徑：一是采用表面脫Co處理；二是在金剛石涂層與硬質合金之間沉積合適的中間層，以阻止基體中的鈷向表面擴散。表面脫Co處理法雖然在一定程度上能夠改善金剛石涂層與基體粘著性，但基體中Co的缺失會大大降低基體本身的硬度、強度、彈性模量等性能，因而，硬質合金表面所沉積生成的金剛石薄膜也無法滿足實際的需求。而現有設置中間層的方法大都制備過程復雜，且金剛石涂層與硬質合金刀具之間的粘附力提高有限。

技術實現要素：

鑒于此，本發明第一方面提供了一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件，通過在金剛石涂層與工件基體之間設置二硼化鈦涂層，解決了金剛石涂層與基體結合力不足，金剛石薄膜形核密度低和沉積速度慢的問題。

第一方面，本發明提供了一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件，包括工件基體，以及依次設置于所述工件基體表面的二硼化鈦涂層和金剛石涂層。

本發明通過在工件基體表面與金剛石涂層之間設置二硼化鈦層，二硼化鈦作為中間層，填充了基體表面組織結構不連續區域；同時能夠提高后續金剛石薄膜的生長速度以及沉積過程中的形核密度，極大促進金剛石薄膜的生長。此外，采用二硼化鈦作為中間層，能夠有效提高金剛石涂層與刀具基體之間的結合力，即使在刀具刀刃部分也能得到結合強度高、均勻致密的金剛石薄膜。

可選地，所述二硼化鈦涂層的厚度為20-500nm，所述二硼化鈦涂層的晶粒為超細納米晶，晶粒尺寸為20-50nm。進一步可選地，所述二硼化鈦涂層的厚度為80-200nm。適合的二硼化鈦涂層厚度能夠完美的阻擋住鈷向基體表面擴散，而且不會引起由于中間層過厚使金剛石與基體之間的結合強度的減弱。

所述金剛石涂層的厚度為2-8μm，進一步地厚度為4-6μm，所述金剛石涂層的晶粒為納米級別(即100nm以內)或微米級別(即1-5微米)，具體可以是10-80nm、1-4微米。當涂層中金剛石晶粒為納米級別時，涂層中石墨相增加，涂層的斷裂韌性更高；當涂層中金剛石晶粒為微米級別時，涂層硬度、強度會更高。不同結構性能可以滿足人們對工件的不同需求。

所述工件基體的材質可以是硬質合金、不銹鋼、氮化硅或碳化硅。工件基體可以是刀具或其他工具(如模具)、機械零部件等。

所述二硼化鈦涂層采用物理氣相沉積(PVD)方式制備得到，所述金剛石涂層采用熱絲氣相沉積的方式制備得到。PVD所生長的二硼化鈦涂層能夠有效阻擋基體向表面擴散的金屬鈷，消除金屬鈷對石墨的催化作用，從而有利于獲得結合力良好、金剛石純度高、晶型好的金剛石涂層。

本發明第一方面提供的具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件，通過在金剛石涂層與工件基體之間設置二硼化鈦涂層，提高了金剛石涂層與工件基體之間的結合力，解決了金剛石涂層與基體結合力不足，金剛石薄膜形核密度低和沉積速度慢的問題。

第二方面，本發明提供了一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件的制備方法，包括以下步驟：

提供工件基體，對所述工件基體進行前處理；所述前處理包括對所述工件基體進行噴砂處理，然后分別采用丙酮和乙醇超聲清洗；或對所述工件基體進行化學刻蝕處理；

采用物理氣相沉積的方式在所述工件基體上制備二硼化鈦涂層，再采用熱絲氣相沉積的方式在所述二硼化鈦涂層上制備金剛石涂層，得到具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件。

所述化學刻蝕處理包括進行8-15分鐘的堿洗以及5-15秒的酸洗處理。

本發明中，所述采用物理氣相沉積的方式制備二硼化鈦涂層的沉積條件為：以二硼化鈦為靶材，施加靶材的功率為2.2-2.7kW，靶材與樣品之間間距為70厘米，沉積氣壓為0.9-1.2Pa，腔內溫度為320-380℃，基體架所加偏壓為150V，偏流為1.0-1.5A?？蛇x地，沉積過程中基體架旋轉速度為20轉/分鐘，旋轉方向為順時針方向，沉積時間為20分鐘。所述沉積二硼化鈦涂層之前先對所述工件基體進行離子源清洗，所述離子源清洗的參數為：氬氣(Ar)充當離子源，功率為1.6-1.9kW；腔內氣壓為0.9-1.2Pa，腔內溫度為320-380℃；基體架轉速為20轉/分鐘，清洗時間為20分鐘。

所述采用熱絲氣相沉積的方式制備金剛石涂層的沉積條件為：以氫氣和甲烷為反應氣體，甲烷占總氣體體積范圍為0.6％-2％，真空室氣壓范圍為3-10kPa；燈絲溫度范圍為1800-2800℃，基體溫度范圍為700-1000℃；處理時間為1-4h，制備得到金剛石涂層，所述金剛石涂層的晶粒為微米級別。

所述采用熱絲氣相沉積的方式制備金剛石涂層的沉積條件為：以氫氣和甲烷為反應氣體，甲烷占總氣體體積范圍為3％-6％，真空室氣壓范圍為0.5-4kPa；燈絲溫度范圍為1500-2400℃，基體溫度范圍為500-800℃；處理時間為1-4h，制備得到金剛石涂層，所述金剛石涂層的晶粒為納米級別。

在制備完所述二硼化鈦涂層之后，制備所述金剛石涂層之前進一步包括對所述工件基體進行噴砂處理，然后分別采用丙酮和乙醇超聲清洗，以獲得更好的沉積制備金剛石涂層的表面。

本發明提供的具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件的制備方法，采用物理氣相沉積與熱絲化學氣相沉積相結合，工藝簡單，其中二硼化鈦涂層的制備時間只有約20分鐘，所用PVD設備能實現自動化生產，且制備過程中不需要用到易燃、易爆、有毒氣體，具有高效快捷、安全、自動化生產的優勢。

本發明的優點將會在下面的說明書中部分闡明，一部分根據說明書是顯而易見的，或者可以通過本發明實施例的實施而獲知。

附圖說明

圖1為本發明實施例1制備的具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件的橫截面結構示意圖；

圖2為本發明實施例1制備的具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件的橫截面高倍掃描電鏡圖；

圖3為本發明實施例1中二硼化鈦-金剛石復合涂層的壓痕圖；

圖4為本發明實施例1制備的在二硼化鈦涂層上熱絲氣相沉積10分鐘后的高倍掃描電鏡圖。

具體實施方式

以下所述是本發明實施例的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明實施例原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明實施例的保護范圍。

下面分多個實施例對本發明實施例進行進一步的說明。其中，本發明實施例不限定于以下的具體實施例。在不變主權利的范圍內，可以適當的進行變更實施。

實施例1

一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件的制備方法，包括以下步驟：

第一步：以市售碳化硅硬質合金刀片作為基體，對基體進行白剛玉濕噴砂處理，其壓強為300kPa，砂粒度為800目，然后分別在丙酮和酒精中將硬質合金基體超聲清洗15分鐘；

第二步：采用物相沉積(PVD)法，在硬質合金基體表面沉積二硼化鈦涂層：首先，對硬質合金基體進行離子源清洗，其參數為：氬氣(Ar)充當離子源，離子源電壓為70V，電流為250A，功率為1.6Kw；腔內氣壓為1.0Pa，腔內溫度為320-380℃；基體架轉速為20轉/分鐘，清洗時間為20分鐘；再沉積單層二硼化鈦涂層，參數為：靶材與樣品之間間距為70cm，沉積氣壓為1.2Pa；基體架旋轉速度為20轉/分鐘，旋轉方向為順時針方向；基體架所加偏壓為150V，偏流為1.5A；靶材電壓為420V，電流為6.5A，功率為2.7Kw；腔內溫度為320-380℃，沉積時間為20分鐘，所得二硼化鈦涂層厚度為70-80nm；

第三步：采用熱絲化學氣相沉積法，以氫氣和甲烷為反應氣體，沉積微米金剛石薄膜，其沉積條件：燈絲與樣品間距為10毫米，燈絲與燈絲間距為8毫米；甲烷氣體流量為16sccm，氫氣氣體流量為800sccm，甲烷與氫氣體積比保持在2％左右；真空室氣壓范圍為4kPa；燈絲溫度范圍為2600℃，基體溫度范圍為900℃；處理時間為1.5h。二硼化鈦涂層表面所形成的金剛石薄膜厚度為2.5微米左右，即制備得到具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件。

圖1為本發明實施例1制備的具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件的橫截面結構示意圖；圖中，10為硬質合金基體，20為二硼化鈦涂層，30為金剛石薄膜涂層。二硼化鈦-金剛石復合涂層即包括依次設置在硬質合金基體10表面的二硼化鈦涂層20和金剛石薄膜涂層30。

圖2為本發明實施例1制備的具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件的橫截面高倍掃描電鏡圖；圖中能夠清楚的看到硬質合金基體10、二硼化鈦涂層20以及金剛石薄膜30。在金剛石薄膜30與二硼化鈦涂層20相接觸的部位生長的均是極細的納米金剛石顆粒(平均粒徑為100納米)，極大地提高了薄膜的強度以及結合力。

圖3為本發明實施例1中二硼化鈦-金剛石復合涂層的壓痕圖；從圖中可以看出，經過150Kg的載荷壓載之后，該復合涂層只出現了5道極細的裂紋，而且并沒用出現沿裂紋方向大面積金剛石薄膜脫落的現象。該涂層只在壓頭輪廓線上出現了兩塊小面積的金剛石薄膜脫落。因而說明該復合涂層與基體的結合力極好。

圖4為本發明實施例1制備的在二硼化鈦涂層上熱絲氣相沉積10分鐘后的高倍掃描電鏡圖。其晶粒度達到5.3×10⁹cm^-2，從圖中可以看出，此時金剛石薄膜已經基本鋪滿整個基體表面。由此可見二硼化鈦涂層作為中間層能夠有效提高金剛石薄膜的生長速度以及沉積過程中的形核密度，極大促進金剛石薄膜的生長。

實施例2

一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件的制備方法，包括以下步驟：

第一步：以國內市場上出售的YG6X(WC-6％Co)硬質合立銑刀作為基體，對基體進行10分鐘的堿洗以及10秒的酸洗處理完成化學刻蝕；

第二步：采用物相沉積(PVD)法，在硬質合金表面沉積單層二硼化鈦涂層。首先，對硬質合金基體進行離子源清洗，其參數為：氬氣(Ar)充當離子源，離子源電壓為70V，電流為250A，功率為1.6Kw；腔內氣壓為1.0Pa，腔內溫度為320-380℃；基體架轉速為20轉/分鐘，清洗時間為20分鐘；再沉積單層二硼化鈦涂層，參數為：靶材與樣品之間間距為70cm，沉積氣壓為1.0Pa；基體架旋轉速度為20轉/分鐘，旋轉方向為順時針方向；基體架所加偏壓為150V，偏流為1.5A；施加靶材電壓為380V，電流為6.0A，功率為2.2kW，沉積時間為30分鐘，所得二硼化鈦涂層厚度為120nm。

第三步：采用熱絲化學氣相沉積法，以氫氣和甲烷為反應氣體，沉積納米金剛石薄膜，其沉積條件：燈絲與樣品間距為10毫米，燈絲與燈絲間距為8毫米；甲烷氣體流量為40sccm，氫氣氣體流量為800sccm，甲烷與氫氣體積比保持在5％左右；真空室氣壓范圍為4kPa；燈絲溫度范圍為2200℃，基體溫度范圍為800℃；處理時間為3h。二硼化鈦涂層表面所形成的金剛石薄膜厚度為4微米左右，即制備得到具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件。

實施例3

一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件的制備方法，包括以下步驟：

第一步：以國內市場上出售的氮化硅刀片作為基體，對基體進行白剛玉濕噴砂處理，其壓強為300kPa，砂粒度為800目，然后分別在丙酮和酒精中將硬質合金基體超聲清洗15分鐘；

第二步：采用物相沉積(PVD)法，在硬質合金表面沉積單層二硼化鈦涂層。首先，對硬質合金基體進行離子源清洗，其參數為：氬氣(Ar)充當離子源，離子源電壓為70V，電流為250A，功率為1.6Kw；腔內氣壓為1.0Pa，腔內溫度為320-380℃；基體架轉速為20轉/分鐘，清洗時間為20分鐘；再沉積單層二硼化鈦涂層，參數為：靶材與樣品之間間距為70cm，沉積氣壓為1.2Pa；基體架旋轉速度為20轉/分鐘，旋轉方向為順時針方向；基體架所加偏壓為150V，偏流為1.5A；施加靶材電壓為380V，電流為6A，功率為2.2Kw；沉積時間為60分鐘，所得二硼化鈦涂層厚度約為240nm；

第三步：采用熱絲化學氣相沉積法，以氫氣和甲烷為反應氣體，沉積微米金剛石薄膜，其沉積條件：燈絲與樣品間距為10毫米，燈絲與燈絲間距為8毫米；甲烷氣體流量為8sccm，氫氣氣體流量為800sccm，甲烷與氫氣體積比保持在1％左右；真空室氣壓范圍為4kPa；燈絲溫度范圍為2600℃，基體溫度范圍為900℃；處理時間為3h，二硼化鈦涂層表面所形成的金剛石薄膜厚度為5微米左右，即制備得到具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件。

實施例4

一種具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件的制備方法，包括以下步驟：

第一步：以國內市場上出售的YG8(WC-8％Co)硬質合金轉位刀片作為基體，對基體進行10分鐘的堿洗以及10秒的酸洗處理完成化學刻蝕；

第二步：采用物相沉積(PVD)法，在硬質合金表面沉積單層二硼化鈦涂層。首先，對硬質合金基體進行離子源清洗，其參數為：氬氣(Ar)充當離子源，離子源電壓為70V，電流為250A，功率為1.6Kw；腔內氣壓為1.0Pa，腔內溫度為320-380℃；基體架轉速為20轉/分鐘，清洗時間為20分鐘；再沉積單層二硼化鈦涂層，參數為：靶材與樣品之間間距為70cm，沉積氣壓為1.0Pa；基體架旋轉速度為20轉/分鐘，旋轉方向為順時針方向；基體架所加偏壓為150V，偏流為1.5A；施加靶材電壓為380V，電流為6A，功率為2.2Kw，沉積時間為30分鐘，所得二硼化鈦涂層厚度約120nm；

第三步：對基體進行白剛玉濕噴砂處理，其壓強為300kPa，砂粒度為800目，然后分別在丙酮和酒精中將硬質合金超聲清洗15分鐘。

第四步：采用熱絲化學氣相沉積法，以氫氣和甲烷為反應氣體，沉積納米金剛石薄膜，其沉積條件：燈絲與樣品間距為10毫米，燈絲與燈絲間距為8毫米；甲烷氣體流量為24sccm，氫氣氣體流量為800sccm，甲烷與氫氣體積比保持在3％左右；真空室氣壓范圍為2kPa；燈絲溫度范圍為2000℃，基體溫度范圍為750℃；處理時間為3h。二硼化鈦涂層表面所形成的金剛石薄膜厚度為4微米左右，即制備得到具有二硼化鈦-金剛石復合涂層的工件。

需要說明的是，根據上述說明書的揭示和和闡述，本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方式進行變更和修改。因此，本發明并不局限于上面揭示和描述的具體實施方式，對本發明的一些等同修改和變更也應當在本發明的權利要求的保護范圍之內。此外，盡管本說明書中使用了一些特定的術語，但這些術語只是為了方便說明，并不對本發明構成任何限制。