一种无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法
阅读说明：本技术 一种无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法 (Preparation method of hard alloy matrix diamond coating without acid-base pretreatment ) 是由 陈乃超 刘冬梅 居法松 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层制备方法,包括如下步骤：使用金刚石微粉与砂纸相配合对硬质合金基体表面进行打磨,将处理好的基体进行超声清洗；采用湿法分散颗粒的方法将颗粒均匀的分散在基体表面放入干燥箱中进行干燥；采用热丝化学气相沉积法沉积金刚石涂层,依次经过金刚石形核和生长阶段,得到无酸碱预处理的硬质合金涂层。与现有的技术相比较,本发明的操作过程对于硬质合金造成的损伤比较小,同时获得的涂层质量与经过预处理的涂层效果相近。添加的颗粒提高金刚石涂层的沉积速率,提高了涂层的附着力和抗裂性。(The invention provides a preparation method of a hard alloy matrix diamond coating without acid-base pretreatment, which comprises the following steps: grinding the surface of a hard alloy substrate by matching diamond micro powder with sand paper, and ultrasonically cleaning the processed substrate; uniformly dispersing the particles on the surface of the matrix by adopting a wet particle dispersing method, and drying the matrix in a drying box; and depositing the diamond coating by adopting a hot wire chemical vapor deposition method, and sequentially carrying out diamond nucleation and growth stages to obtain the acid-base pretreatment-free hard alloy coating. Compared with the prior art, the damage to the hard alloy is smaller in the operation process, and the obtained coating quality is similar to the pretreated coating effect. The added particles increase the deposition rate of the diamond coating and improve the adhesion and crack resistance of the coating.)
技术领域
本发明属于表面工程技术领域，涉及一种无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法及应用。
背景技术
硬质合金是高耐磨部件主要应用材料之一，采用硬质合金金刚石涂层刀具，可以大幅增加刀具寿命，提高加工和制造的经济性。但是由于硬质合金粘结剂中Co元素存在，导致金刚石涂层制备过程中存在石墨化，刀具上无法制备出金刚石涂层或涂层附着力较差。因此在沉积金刚石涂层之前，需要对硬质合金基体进行预处理。常见的预处理的方法如酸碱预处理方法，通过刻蚀硬质合金表面，移除表面Co元素，以便消除Co的石墨化影响。
酸碱预处理方法虽然可以有效消除Co的影响，但是酸碱侵蚀对硬质合金基体会造成一定损伤。如对硬质合金制造的微型钻头的表面造成损伤，会降低硬质合金的强度，涂层刀具容易发生断裂等问题。针对硬质合金材料，本发明提供了一种新型的应用于未预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是根据现有技术的不足，提供一种无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：一种无酸碱预处理的硬质合金金刚石涂层的制备方法，包括，
基体表面处理：利用砂纸和金刚石微粉打磨硬质合金基体表面，将打磨好的硬质合金基体去除表面的金刚石微粉和其他的杂质，烘干；
湿法分散颗粒：准备固体颗粒和溶液，将固体颗粒放入溶液中，通过搅拌机将溶液均匀混合，形成混合溶液，超声分散。用胶头滴管吸取混合溶液，滴至基体表面后放入鼓风干燥箱中烘干；
CVD金刚石涂层制备：采用热丝化学气相沉积法沉积金刚石涂层，得到无酸碱预处理的硬质合金金刚石涂层。
作为本发明所述无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述硬质合金基体，包括钨钴类硬质合金、钨钛类硬质合金及钨钛钽(铌)类硬质合金。
作为本发明所述无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述硬质合金基体，包括钨钴类硬质合金YG3、YG6、YG8、YG12。
作为本发明所述无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述固体颗粒，为具有较强的碳氢基团吸入能力的固体颗粒，其吸附碳氢基团的速率比Co元素快。
作为本发明所述无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述固体颗粒，包括氧化石墨烯颗粒，其颗粒厚度为1～3nm。
作为本发明所述无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述溶液，包括浓度为90％的乙醇溶液。
作为本发明所述无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述混合溶液，其中，固体颗粒的浓度为0.5～2g/L。
作为本发明所述无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述热丝化学气相沉积法，包括，
采用热丝化学气相沉积法沉积金刚石涂层，氢气和丙酮作为反应气体，将氢气和丙酮的流量分别设定240sccm和90sccm；实验设定形核时间和涂层生长时间分别为30min和4h。
作为本发明所述无酸碱预处理的硬质合金基体金刚石涂层的制备方法的一种优选方案，其中：所述热丝化学气相沉积法，包括，
工艺结构参数：均匀分布四根间隔为20mm直径为6mm的钽丝，功率设置为4.5KW，基体表面距离钽丝10mm，形核阶段的真空室的压力为1.5～2.0kPa，生长阶段为4.0～5.0kPa；
在整个沉积过程中，热丝温度保持在2100～2300℃，基体表面温度为800～900℃。
本发明有益效果：
本发明在湿法分散颗粒阶段添加的固体颗粒具有较强的碳氢基团吸入能力，能够承受高温，同时固体颗粒能够提高金刚石涂层的生长速率，通过化学竞争吸附的方式，降低硬质合金基体中Co元素参与反应的时间，抑制Co元素石墨化的影响。固体颗粒也具有一定的硬度，可以使得涂层具有更强的附着力和抗裂性。
与现有的酸碱预处理的方法相比，本发明生成的金刚石涂层具有与酸碱预处理后得到的涂层相近的效果。且未经过酸碱预处理的基体表面比经酸碱预处理过的更加光滑。本发明制备过程无酸碱污染，制备方法简单便捷、经济实用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为无酸碱预处理的硬质合金基体表面SEM的微观形貌。
图2为无酸碱处理具有颗粒分散的基体表面SEM的微观形貌。
图3为无酸碱预处理表面分散颗粒生长的金刚石涂层SEM的微观形貌。
图4为硬质合金基体酸碱预处理后的基体表面SEM的微观形貌。
图5为经酸碱预处理的硬质合金基体沉积生长的金刚石涂层表面形貌的SEM图
图6为无酸碱预处理添加固体颗粒的金刚石涂层硬质合金基体与酸碱预处理的金刚石涂层硬质合金基体在100、200、300N载荷下的压痕形貌对比图。
图7为本发明制备的颗粒浓度为0.5g/L沉积生成涂层的形貌图。
图8为本发明制备的颗粒浓度为2g/L沉积生成涂层的形貌图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明实施例使用述硬质合金基体为钨钴类硬质合金YG6，其成分为：WC94％，Co6％。本发明实施例所用氧化石墨烯，其固体颗粒厚度为2nm。
本发明中所用其他原料，若无特殊说明，均为市售。
实施例1
(1)基体表面处理
步骤1：在1500目的砂纸上使用金刚石微粉打磨硬质合金基体表面，去除基体表面部分杂质；再使用200目的砂纸配合金刚石微粉继续研磨基体，获得较为光滑又存在许多小凹坑的基体表面。
步骤2：使用去离子水连续不断冲洗基体表面10分钟，去除基体表面多余的大颗粒金刚石微粉以及其他杂质。
步骤3：将基体材料浸泡在丙酮溶液中进行20分钟的超声清洗，去除基体表面的杂物。
步骤4：将处理好的基体放进恒温鼓风干燥箱烘干表面，恒温鼓风干燥箱温度设置为60℃。
经过处理的基体表面的扫描电镜(SEM)形貌如图1所示。
(2)湿法分散颗粒
首先配置固体颗粒溶液，用电子天平称取质量为0.1g的固体颗粒粉末，用量筒量取100ml浓度为90％的乙醇溶液，将固体颗粒放入乙醇溶液中。利用搅拌机将溶液搅拌均匀，放入超声波机中进行超声分散10分钟。用胶头滴管吸取溶液，滴至烘干后的洁净硬质合金基体表面上，将基体平稳地放入鼓风干燥箱60℃恒温烘干。SEM下可以看到硬质合金基体表面存在固体颗粒，如图2所示。
(3)CVD金刚石制备
本发明采用热丝化学气相沉积法，使用金属钽丝作为热丝，氢气和丙酮作为反应气体，丙酮用于提供含碳基团以外。氢气和丙酮流量分别设置为240sccm和90sccm，设定形核时间为30分钟，涂层生长时间为4小时。工艺结构参数设置为均匀分布四根间隔为20mm直径为6mm的钽丝，功率设置为4.5KW，基体表面距离钽丝10mm，形核阶段的真空室的压力为1.5～2.0kPa，生长阶段为4.0～5.0kPa。在整个沉积过程中，热丝温度保持在2200℃左右，基体表面温度为800～900℃左右。
生长后的微米金刚石涂层的表面形貌如图3所示，可以看出在无酸碱预处理的硬质合金基体上生长出了金刚石涂层。
图4为硬质合金基体酸碱预处理后的基体表面形貌的SEM图像，图5为酸碱预处理后的硬质合金基体，经沉积生长的金刚石涂层表面形貌的SEM图像。与图1与图3相比，本发明生成的金刚石涂层具有与酸碱预处理后得到的涂层相近的效果。
实施例2
用Rockwell C压痕实验研究CVD金刚石涂层的附着力大小。实验中使用一个标准的120度锥形洛氏金刚石压头穿透金刚石涂层，分别在压头上施加100、200、300N垂直于基体方向的载荷，获得金刚石涂层的压痕痕迹。然后用SEM对洛氏压痕实验后的样品表面进行表征，观察压痕痕迹以及涂层的破坏程度。实施例1所制备得到的无酸碱预处理添加颗粒的金刚石涂层在载荷100、200、300N下的压痕形貌如图6所示。
通过图6可以观察到在相同的载荷下，涂层的最大裂痕直径相近。这表明添加颗粒生长出来的涂层质量并没有下降。通过与预处理后生长的涂层压痕实验作对比，说明基体无酸碱预处理添加颗粒生长的涂层与预处理生长的涂层抵抗裂痕的效果相近。
实施例3
(1)基体表面处理
步骤1：在1500目的砂纸上使用金刚石微粉打磨硬质合金基体表面，去除基体表面部分杂质；再使用200目的砂纸配合金刚石微粉继续研磨基体，获得较为光滑又存在许多小凹坑的基体表面。
步骤2：使用去离子水连续不断冲洗基体表面10分钟，去除基体表面多余的大颗粒金刚石微粉以及其他杂质。
步骤3：将基体材料浸泡在丙酮溶液中进行20分钟的超声清洗，去除基体表面的杂物。
步骤4：将处理好的基体放进恒温鼓风干燥箱烘干表面，恒温鼓风干燥箱温度设置为60℃。
(2)湿法分散颗粒
首先配置固体颗粒溶液，用电子天平称取质量为0.05g的固体颗粒粉末，用量筒量取100mL浓度为90％的乙醇溶液，将固体颗粒放入乙醇溶液中。利用搅拌机将溶液搅拌均匀，放入超声波机中进行超声分散10分钟。用胶头滴管吸取溶液，滴至烘干后的洁净硬质合金基体表面上，将基体平稳地放入鼓风干燥箱60℃恒温烘干。
(3)CVD金刚石制备
本发明采用热丝化学气相沉积法，使用金属钽丝作为热丝，氢气和丙酮作为反应气体，丙酮用于提供含碳基团以外。氢气和丙酮流量分别设置为240sccm和90sccm，设定形核时间为30分钟，涂层生长时间为4小时。工艺结构参数设置为均匀分布四根间隔为20mm直径为6mm的钽丝，功率设置为4.5KW，基体表面距离钽丝10mm，形核阶段的真空室的压力为1.5～2.0kPa，生长阶段为4.0～5.0kPa。在整个沉积过程中，热丝温度保持在2200℃左右，基体表面温度为800～900℃左右。
在硬质合金基体上沉积的涂层出现了大面积的脱落，如图7所示。这说明0.5g/L浓度下颗粒偏少，使得涂层石墨化降低了涂层与硬质合金基体间的附着力。
实施例4
(1)基体表面处理
步骤1：在1500目的砂纸上使用金刚石微粉打磨硬质合金基体表面，去除基体表面部分杂质；再使用200目的砂纸配合金刚石微粉继续研磨基体，获得较为光滑又存在许多小凹坑的基体表面。
步骤2：使用去离子水连续不断冲洗基体表面10分钟，去除基体表面多余的大颗粒金刚石微粉以及其他杂质。
步骤3：将基体材料浸泡在丙酮溶液中进行20分钟的超声清洗，去除基体表面的杂物。
步骤4：将处理好的基体放进恒温鼓风干燥箱烘干表面，恒温鼓风干燥箱温度设置为60℃。
(2)湿法分散颗粒
首先配置固体颗粒溶液，用电子天平称取质量为0.2g的固体颗粒粉末，用量筒量取100mL浓度为90％的乙醇溶液，将固体颗粒放入乙醇溶液中。利用搅拌机将溶液搅拌均匀，放入超声波机中进行超声分散10分钟。用胶头滴管吸取溶液，滴至烘干后的洁净硬质合金基体表面上，将基体平稳地放入鼓风干燥箱60℃恒温烘干。
(3)CVD金刚石制备
本发明采用热丝化学气相沉积法，使用金属钽丝作为热丝，氢气和丙酮作为反应气体，丙酮用于提供含碳基团以外。氢气和丙酮流量分别设置为240sccm和90sccm，设定形核时间为30分钟，涂层生长时间为4小时。工艺结构参数设置为均匀分布四根间隔为20mm直径为6mm的钽丝，功率设置为4.5KW，基体表面距离钽丝10mm，形核阶段的真空室的压力为1.5～2.0kPa，生长阶段为4.0～5.0kPa。在整个沉积过程中，热丝温度保持在2200℃左右，基体表面温度为800～900℃左右。
颗粒浓度为2g/L时，生长出的金刚石涂层同时也出现了大面积的脱落，如图8所示。这说明颗粒浓度过大也会降低金刚石涂层与基体间的附着力。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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