一種制備非晶碳化硅陶瓷-金剛石復(fù)合涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金剛石薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種化學(xué)氣相沉積制備非晶碳化硅陶瓷-金剛石復(fù)合涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]化學(xué)氣相沉積(CVD)金剛石薄膜具有接近天然金剛石的力學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性能。CVD金剛石涂層可以沉積在復(fù)雜曲面的硬質(zhì)合金工具上，具有比金剛石厚膜刀具更廣闊的應(yīng)用空間，被認(rèn)為是加工陶瓷、碳纖維、玻璃纖維、石墨、有色金屬及其合金等非鐵類材料的理想刀具材料。但是由于硬質(zhì)合金中粘結(jié)相金屬鈷的催化作用，以及由于硬質(zhì)合金與金剛石之間的熱膨脹系數(shù)差異而在薄膜中形成的殘余應(yīng)力，金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基體間的結(jié)合強(qiáng)度不足，導(dǎo)致在加工過程中出現(xiàn)薄膜脫落和刀具崩刃等現(xiàn)象。這嚴(yán)重限制了 CVD金剛石薄膜的應(yīng)用。因此廣大研宄人員一直在研宄提高金剛石薄膜對基體附著力的方法。通過對硬質(zhì)合金基體實(shí)施兩步法預(yù)處理去鈷，可以顯著降低基體表面的鈷含量。通過這種方法，在具有復(fù)雜形狀的硬質(zhì)合金刀具表面沉積金剛石涂層成為可能。中國專利“硬質(zhì)合金基體復(fù)雜形狀刀具金剛石涂層制備方法”(CN1219109C)記載了一種采用電子增強(qiáng)熱絲化學(xué)氣相沉積制備納米金剛是復(fù)合涂層的方法，該方法不受基體形狀的限制，適用于任何復(fù)雜形狀刀具基體的涂層制備。該方法采用微波化學(xué)復(fù)合預(yù)處理技術(shù)對刀具表面進(jìn)行去鈷粗化處理。這種預(yù)處理方法相較單純的兩步法酸堿預(yù)處理去鈷效果更好，基體與金剛石涂層的附著力也可以在一定程度上得到改善，但是工藝繁瑣復(fù)雜，時間花費(fèi)較長，而且配套設(shè)備成本較高，不利于金剛石涂層刀具的大批量生產(chǎn)。
[0003]一些研宄者還嘗試了硬質(zhì)合金表面改性的方法。通過將硬質(zhì)合金基體與含有硅、硼、硫等元素的化合物進(jìn)行密閉加熱等方法進(jìn)行預(yù)處理，或采用離子注入的方法，使硬質(zhì)合金表層的鈷相與這些外來元素反應(yīng)生成穩(wěn)定、無害的含鈷化合物，同時隔絕基體內(nèi)部深處的鈷相與金剛石的接觸。還有一部分研宄著對硬質(zhì)合金基體進(jìn)行處理，采用銅、氮化鈦、鉻等無害粘結(jié)相來取代鈷粘結(jié)相，從而避免其對金剛石的不良作用。這些方法也能夠一定程度上提高金剛石薄膜的質(zhì)量和附著力，但是工藝復(fù)雜，價格昂貴。
[0004]為了進(jìn)一步的提高金剛石薄膜與硬質(zhì)合金基體間的附著力，從20世紀(jì)90年代起，研宄人員開始較多的研宄過渡層技術(shù)，通過施加一層或多層物理化學(xué)性質(zhì)介于金剛石與硬質(zhì)合金之間的過渡層，對于金剛石薄膜附著力的提高取得了顯著的成果。但是，這些過渡層往往制備工藝流程較為復(fù)雜昂貴，不利于金剛石涂層工具的工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用。非金屬陶瓷具有與金剛石相接近的熱膨脹系數(shù)和晶格常數(shù)，并且適合金剛石形核生長，是非常優(yōu)良的過渡層材料。葡萄牙阿威羅大學(xué)的Cabral等人在《Diamond and Related Materials))期干丨J上發(fā)表的〈〈A study of diamond film deposit1n on WC-Co inserts for graphitemachining Effectiveness of SiC interlayers prepared by HFCVD))文獻(xiàn)中米用 CVD法利用四甲基硅烷作為硅源在硬質(zhì)合金刀具基體上制備了碳化硅過渡層，并繼續(xù)沉積了高質(zhì)量的金剛石涂層，研宄了該過渡層對金剛石涂層刀具切削性能的影響，研宄發(fā)現(xiàn)過渡層與硬質(zhì)合金基體反應(yīng)生成了硅鈷化合物，具有較好的阻隔鈷的擴(kuò)散的效果。然而為了保證金剛石薄膜的生長具有較高的形核密度與沉積質(zhì)量，其在過渡層沉積之后需要開啟沉積設(shè)備，對刀具基體進(jìn)行預(yù)處理，這樣使得時間成本增加，工藝變得復(fù)雜，制備流程變長，并且對大批量制備基于陶瓷中間過渡層的金剛石刀具未能提出有效的解決途徑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種化學(xué)氣相沉積制備非晶碳化硅陶瓷-金剛石復(fù)合涂層的方法。該方法可以保證金剛石薄膜的生長過程具有較高形核密度和沉積質(zhì)量而無須對基體進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)在同一臺化學(xué)氣相沉積裝置內(nèi)對非晶碳化硅陶瓷薄膜和金剛石薄膜的連續(xù)性沉積，從而簡化工藝流程，降低成本；制備得到的非晶碳化硅陶瓷-金剛石復(fù)合涂層對兩步法預(yù)處理的硬質(zhì)合金襯底具有優(yōu)異的附著性能，又具有極高的硬度和耐磨性以及較低的表面粗糙度，適用于制備高質(zhì)量的金剛石涂層刀具。
[0006]本發(fā)明的目的是通過下列技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明涉及一種制備非晶碳化硅陶瓷-金剛石復(fù)合涂層的方法，所述方法包括如下步驟:以大分子有機(jī)硅烷為硅源，采用大分子前驅(qū)裂解法在硬質(zhì)合金襯底表面制備非晶碳化硅陶瓷薄膜；應(yīng)用熱絲化學(xué)氣相沉積法對所述非晶碳化硅陶瓷薄膜表面原位沉積微米金剛石薄膜，即得所述非晶碳化硅陶瓷-金剛石復(fù)合涂層。
[0008]作為優(yōu)選方案，所述大分子有機(jī)硅烷選自四甲基硅烷或二甲基二乙氧基硅烷；更優(yōu)選二甲基二乙氧基硅烷。所述熱絲化學(xué)氣相沉積法中采用的碳源選自甲醇、乙醇或丙酮；更優(yōu)選丙酮。
[0009]作為優(yōu)選方案，所述大分子前驅(qū)裂解法具體為:采用大分子有機(jī)硅烷為硅源，在恒溫條件下硅源由載流氫氣帶動鼓泡蒸發(fā)，硅源蒸汽在與氫氣氣路的氫氣混合后進(jìn)入真空反應(yīng)腔室，在熱絲的高溫作用下熱分解生成非晶碳化硅陶瓷薄膜。
[0010]作為優(yōu)選方案，所述非晶碳化硅陶瓷薄膜與微米金剛石薄膜為連續(xù)沉積。
[0011]作為優(yōu)選方案，所述連續(xù)沉積具體為:在沉積非晶碳化硅陶瓷薄膜完成后關(guān)閉硅源氣路，開啟碳源氣路；在恒溫條件下，載流氫氣帶動碳源鼓泡蒸發(fā)，碳源蒸汽與氫氣氣路的氫氣充分混合后進(jìn)入真空腔室，采用熱絲化學(xué)氣相沉積法在所述非晶碳化硅陶瓷薄膜表面原位進(jìn)行微米金剛石薄膜的形核與沉積。
[0012]作為優(yōu)選方案，所述大分子前驅(qū)裂解法中的硅源在沉積過程中保持40°C的恒溫；所述熱絲化學(xué)氣相沉積法中采用的碳源在沉積過程中保持-30?-20°C的恒溫。恒定溫度下硅源與碳源的飽和蒸汽壓保持恒定，因此可以保持氫氣流量中硅源、碳源蒸汽的含量，保證沉積工藝穩(wěn)定性。
[0013]作為優(yōu)選方案，所述大分子前驅(qū)裂解法采用的沉積參數(shù)為:氫氣流量80?10ml/min，硅源蒸汽/氫氣體積比I?3%，反應(yīng)壓力5?lOTorr，熱絲溫度2100?2200°C，襯底溫度700?800°C。所述氫氣為氫氣氣路流量與硅源氣路載流氫氣流量之和。
[0014]作為優(yōu)選方案，所述熱絲化學(xué)氣相沉積法制備金剛石薄膜采用的形核工藝參數(shù)為:氫氣流量800?1000ml/min，碳源蒸汽/氫氣體積比I?3%，反應(yīng)壓力10?15Torr，熱絲溫度2100?2200°C，襯底溫度800?950°C ;偏壓電流O?8.0A。所述氫氣為氫氣氣路流量與硅源氣路載流氫氣流量之和。
[0015]作為優(yōu)選方案，所述熱絲化學(xué)氣相沉積法采用的沉積參數(shù)為:氫氣流量800?1000ml/min,碳源蒸汽/氫氣體積比I?3 %，反應(yīng)壓力25?35Torr，熱絲溫度2100?2200°C，襯底溫度800?950°C;偏壓電流O?4.0A。所述氫氣為氫氣氣路流量與硅源氣路載流氫氣流量之和。
[0016]本發(fā)明還涉及一種適用于本發(fā)明的制備非晶碳化硅陶瓷-金剛石復(fù)合涂層的方法的專用裝置，所述專用裝置包括并聯(lián)并且分別與硅源、碳源、氫氣源和真空腔室相連接的氣路；所述的硅源和碳源分別放置在恒溫箱內(nèi)；所述硅源氣路為制備非晶碳化硅陶瓷薄膜提供硅源，所述碳源氣路為原位沉積微米金剛石薄膜提供碳源。
[0017]作為優(yōu)選方案，所述恒溫箱可調(diào)溫度范圍為-50?50°C ;所述化學(xué)氣相沉積的真空腔室內(nèi)設(shè)有可升降旋轉(zhuǎn)工作臺，所述工作臺的轉(zhuǎn)速范圍為5?50rad/min，工作臺與熱絲高度的自動升降范圍為O?40cm。通過調(diào)節(jié)恒溫箱的溫度可以分別控制硅源與碳源的飽和蒸汽壓，精確控制氫氣流量中硅源、碳源蒸汽的含量，從而實(shí)現(xiàn)非晶碳化硅陶瓷-金剛石復(fù)合涂層沉積工藝的精確控制。所述熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備包括真空腔室以及與真空腔室相連的反應(yīng)壓力控制裝置、真空泵、熱絲電源及溫度控制裝置。
[0018]本發(fā)明發(fā)現(xiàn)采用大分子前驅(qū)裂解法制備非晶碳化硅陶瓷，工藝簡單并