刀具表面掺硼金刚石复合涂层制备装置 【技术领域】
本发明涉及的是一种刀具制造技术领域的装置，具体是一种用于复杂形状硬质合金刀具表面掺硼金刚石复合涂层制备装置。
背景技术
金刚石薄膜具有许多接近天然金刚石的优异性能，如硬度高、弹性模量大，摩擦系数低、耐磨性强以及表面化学性能稳定等，因此，金刚石薄膜作为耐磨、减摩或保护性涂层材料在工模具和耐磨器件领域具有广阔的应用前景。化学气相沉积法(Chemical VaporDeposition，简称CVD法)制备金刚石薄膜不受基体形状的制约，能够直接沉积在复杂形状基体的表面，非常适合用于制备复杂形状金刚石薄膜涂层刀具。然而，复杂形状刀具自身的结构特点和性能要求使得它对刀具基体表面预处理工艺、CVD金刚石薄膜的沉积装置和沉积工艺均有特殊要求，并且硬质合金刀具中的粘接相钴对金刚石薄膜具有催石墨化作用，这导致了沉积在复杂形状硬质合金刀具表面的CVD金刚石薄膜与基体之间的附着强度较低，薄膜表面质量差，这极大地制约了复杂形状金刚石薄膜涂层刀具的产业化。
经过对文献的检索发现，为提高金刚石薄膜与硬质合金基体之间的附着强度，普遍采用的预处理方法包括酸刻蚀、等离子弧刻蚀、化学反应替代、热机械处理以及添加中间过渡层等。然而，这些预处理方法虽然能够在一定程度上改善金刚石薄膜与复杂形状硬质合金刀具基体之间的附着力，但是随着金刚石薄膜沉积过程的延长，这些方法对于钴的抑制作用将逐渐减弱，效果并不理想。F.X.Lu等人在《Diamond and Related Materials》2006年第15期第2039页发表的“Novel pretreatment of hard metal substrate for betterperformance of diamond coated cutting tools”一文中提出了通过对硬质合金刀具基体进行渗硼预处理的方法提高金刚石薄膜的附着强度。该方法在硬质合金基体表面渗硼，使硼元素与基体表层的钴元素发生化学反应生成稳定的硼钴化合物，从而阻止钴元素向基体表层的扩散，抑制其对金刚石薄膜质量的影响，是一种提高膜基附着强度的新型预处理方法。然而，这种方法是在金刚石薄膜生长之前，在静态的条件下对刀具基体进行渗硼处理，它虽然能够在一定程度上抑制刀具基体内部的钴元素向表面扩散，但是该静态渗硼预处理的需要在高温条件下进行，不仅操作过程复杂，耗时耗能，而且极易改变刀具的材料性能。此外，该方法同样无法在长时间高温沉积金刚石薄膜的过程中有效抑制硬质合金基体内部钴元素向基体表面热扩散。
【发明内容】
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种刀具表面掺硼金刚石复合涂层制备装置，能够保证金刚石复合薄膜与基体之间具有良好的附着强度，并且能够有效改善金刚石薄膜的表面质量和均匀性，从而提高金刚石薄膜涂层刀具的使用寿命和切削性能。
本发明是通过以下技术方案实现的，
本发明包括：反应罩、合金钻头、支撑台及冷却装置、直流偏压电源、热丝电源、气压控制装置、耐高温弹簧、热丝和钻头支架，其中：合金钻头和耐高温弹簧分别竖直设置于钻头支架上，热丝的两端分别与耐高温弹簧相连接，钻头支架固定设置于支撑台及冷却装置上，反应装置固定设置于支撑台及冷却装置以及钻头支架的外部并与气压控制装置相连接，直流偏压电源分别于热丝及反应罩外壳相连，热丝电源的分别与热丝及耐高温弹簧相连。
所述的热丝共两根，该两根热丝位于合金钻头的两侧同一平面内、且成平行等间距排列，两根热丝的两端相连接；
所述的热丝电源的加热温度为2000-2400℃；
所述的反应罩上设有气体入口和观察窗，其中：气体入口位于反应罩的顶部，观察窗位于反应罩的侧面。
本发明通过利用热丝化学气相沉积装置，在复杂形状硬质合金基体表面沉积了由不同掺硼浓度的金刚石薄膜复合而成的掺硼金刚石复合薄膜。掺硼金刚石复合薄膜既具有良好的附着强度，又具有均匀的表面质量。
本发明将复杂形状硬质合金刀具竖直放于两根热丝中间，使其与两根热丝平行并保持等间距。在沉积过程中，复杂形状硬质合金刀具在工作台的带动下绕其自身轴心旋转，这样即能保证刀具基体表面各部位具有一致的温度场分布，又能保证刀具基体周围碳源浓度及硼源浓度的均匀性，从而为金刚石薄膜提供了良好的生长环境，保证了金刚石薄膜的厚度、表面质量及均匀性；
然后采用上述经过改进的热丝化学气相沉积装置，以氢气、丙酮的混合物为反应气体，以溶解于丙酮溶液中的硼酸三甲酯为掺杂硼源，在复杂形状硬质合金刀具基体上沉积掺硼金刚石薄膜；
最后，降低溶解于丙酮溶液中的硼酸三甲酯的浓度，在高浓度掺硼金刚石薄膜表面继续原位沉积低浓度掺硼金刚石薄膜，从而在硬质合金基体表面制备得到了由不同浓度掺硼金刚石薄膜复合而成的掺硼金刚石复合薄膜。
本发明操作简单，应用方便，适用于在复杂形状硬质合金刀具表面沉积附着强度高，表面均匀的金刚石薄膜，有助于促进金刚石薄膜在复杂形状硬质合金刀具领域的应用，具有光明的产业化前景和显著的经济效益。
【附图说明】
图1为本发明示意图。
【具体实施方式】
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细地实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施包括：反应罩1、合金钻头2、支撑台及冷却装置3、直流偏压电源4、热丝电源5、气压控制装置6、耐高温弹簧7、热丝8和钻头支架9，其中：合金钻头2和耐高温弹簧7分别竖直设置于钻头支架9上，热丝8的两端分别与耐高温弹簧7相连接，钻头支架9固定设置于支撑台及冷却装置3上，反应装置固定设置于支撑台及冷却装置3以及钻头支架9的外部并与气压控制装置6相连接，直流偏压电源4分别于热丝8及反应罩1外壳相连，热丝电源5的分别与热丝8及耐高温弹簧7相连。
所述的热丝8共两根，该两根热丝8位于合金钻头2的两侧同一平面内、且成平行等间距排列，两根热丝8的两端相连接；
所述的热丝电源5的加热温度为2000-2400℃；
所述的反应罩1上设有气体入口10和观察窗11，其中：气体入口10位于反应罩1的顶部，观察窗11位于反应罩1的侧面。
本实施例先采用酸碱两步法对硬质合金钻头表面进行预处理。首先，将硬质合金钻头浸泡在Murakami溶液中进行30分钟超声清洗，这使得硬质合金表层的碳化钨(WC)颗粒碎裂，从而导致衬底表面粗化。Murakami溶液的成分为氢氧化钾(KOH)、铁氰化钾(K3(Fe(CN)6))和水(H2O)，其质量配比为KOH∶K3(Fe(CN)6)∶H2O＝1∶1∶10。随后，将硬质合金钻头浸泡在Caro混合酸溶液中进行1分钟的刻蚀以去除衬底表层的钴元素(Co)。Caro混合酸溶液的成分为浓硫酸(H2SO4)和双氧水(H2O2)，其体积配比为H2SO4∶H2O2＝1∶10。
然后，将硬质合金钻头竖直放在一圆形石墨块上，石墨块中心处钻有圆形孔以固定钻头，再将将石墨块置于样品支撑架上。按照图1所示的热丝布置，将两根直径为f0.6mm钽丝垂直放置，并用耐高温弹簧拉直固定，保持两热丝的轴心与钻头的轴心在同一平面内成平行等间距排列，热丝距离钻头表面距离约3-4mm，热丝顶端高于钻头5-8mm。
接着，采用热丝化学气相沉积法，以氢气、丙酮的混合物为反应气体，以溶解于丙酮溶液中的硼酸三甲酯为掺杂硼源，在复杂形状硬质合金刀具基体上沉积高浓度掺硼金刚石薄膜。沉积工艺参数为：压力3-5KPa，反应气体总流量250毫升/分，丙酮/氢气体积比(碳源浓度)为2％，丙酮溶液中硼酸甲酯浓度为0.5％，热丝温度2200+/-50℃，基体温度800+/-50℃，偏流为1A。经过2小时的沉积后，可在复杂形状硬质合金钻头基体表面制备得到厚度约4微米的高浓度掺硼金刚石薄膜。
最后，在高浓度掺硼金刚石薄膜表面继续原位沉积低浓度掺硼金刚石薄膜。将丙酮溶液中硼酸三甲酯的浓度降低至0.1％，其余沉积参数保持不变，继续进行3小时的沉积，可以沉积一层厚度约6微米的低浓度的掺硼金刚石薄膜，从而在硬质合金基体表面制备得到了掺硼金刚石复合薄膜。
本实例中制备得到的掺硼金刚石复合薄膜，不仅与复杂形状硬质合金基体之间具有良好的附着强度，并且薄膜表面粗糙度低，摩擦系数小，残余应力进一步降低。