專利名稱：硬質(zhì)合金上的高硬度納米復(fù)合涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在硬質(zhì)合金(燒結(jié)碳化物)物品上沉積多晶金剛石涂層或多晶含金剛 石碳化鎢增強涂層的改進方法。本發(fā)明可具體應(yīng)用在硬質(zhì)合金切削工具的切削表面，以促 進含金剛石涂層的優(yōu)越粘合。
背景技術(shù)：
切削工具被用于從金屬工件上去除屑狀金屬。這種工具已經(jīng)形成了許多特定的形 狀，不過其普遍地包括切削刃，該切削刃被迫使與工件運動接觸以便在對工件成形時去除 金屬。在汽車業(yè)中，例如，使用鑄造含硅鋁合金來形成發(fā)動機缸體并且使用諸如鉆頭、鏜桿 和平面銑刀的切削工具從鑄造表面切削金屬，從而形成發(fā)動機缸體的形狀。工具的切削刃經(jīng)受高負載和高溫以及機械和熱沖擊，而這種嚴酷的環(huán)境導(dǎo)致切削 刃的退化。當(dāng)切削刃的退化達到不可接受的地步時，必須中斷切削過程并且更換或重新磨 快工具，這種情況促進了在致力于延長工具使用壽命的過程中對新的或改進的切削工具材 料的持續(xù)研究。目前的碳化物工具通常包括被保持在金屬基體(通常為鈷)中的碳化鎢硬 顆粒，其為用于通用金屬加工的優(yōu)選工具。有時，在金屬基體粘結(jié)劑(binder)中使用鎳和 /或鉻。金屬基體通常由約百分之五到百分之十體積的碳化鎢加上基體體積組成。碳化物 顆粒通常在約1. 5微米到最大尺寸下約10微米的范圍內(nèi)(有時將其分類為從細到中等)。然而，碳化物工具加工汽車業(yè)中使用的鋁硅發(fā)動機合金遇到了難題，因為合金中 的硬的硅顆粒使得工具磨損加快。一種降低磨損速度的方法是給碳化物工具應(yīng)用硬的抗磨 損表面涂層(對于本申請，金剛石涂層是優(yōu)選的)，但是卻難以實現(xiàn)金剛石涂層和碳化物工 具之間的良好粘合。因此，需要尋求一種工藝來在碳化物工具上沉積粘合金剛石或含金剛 石涂層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種方法，在金屬碳化物顆粒_金屬基體襯底上形成更粘合的多晶金 剛石涂層。含金剛石涂層表現(xiàn)出改進的耐用性以及對這種結(jié)合的碳化物襯底的粘合性。在 第一步中，多晶耐火碳化物層(其可以是碳化鎢)被沉積在襯底上。該碳化物層是從氣體 沉積的，充當(dāng)均勻、共同擴張(與期望的襯底區(qū)域一起)的基層以為后續(xù)應(yīng)用的多晶金剛石 涂層提供粘合性。然后，多晶金剛石涂層從合適的氣體組分中沉積在基層上。在本發(fā)明的 一些實施例中，金剛石涂層可含有與其共沉積并分布在其內(nèi)的耐火碳化物顆粒，或者替代 性地，該涂層可含有與耐火碳化物共沉積并分布在耐火碳化物內(nèi)的金剛石。該金剛石涂層 對于切削工具尤其是這種工具的切削表面具有特定用途，并且可減少對加工冷卻劑或潤滑 劑的需求。不過應(yīng)當(dāng)意識到，這種耐火金屬碳化物-金剛石復(fù)合涂層為結(jié)合其他金屬的金 屬碳化物顆粒物品增加了性能值。這些工具襯底(用于本發(fā)明)是通過大致常規(guī)的粉末處理技術(shù)制備的，該粉末處 理技術(shù)包括碳化物顆粒和粘結(jié)劑顆粒的粉末壓制以及隨后對粉末壓塊的燒結(jié)。鈷常被用作粘結(jié)劑或結(jié)合基體材料。然而，在一些實施例中，鎳或鉻可用作結(jié)合材料，并且也已經(jīng)使用 了鉻、鈷和鎳中兩種或更多種的混合物。雖然金剛石涂層或?qū)訉τ谔岣咛蓟锴邢鞴ぞ叩哪陀眯跃哂幸嫣?，但是該工具?復(fù)合性質(zhì)(即碳化物和金屬粘結(jié)劑的混合物)使得金剛石沉積工藝復(fù)雜化。金剛石作為獨 立的碳原子沉積在襯底上并在襯底上結(jié)合在一起。然而，除了金剛石之外碳還可以其他晶 體或偽晶體形式存在，而襯底的性質(zhì)在很大程度上控制了所沉積的碳是作為金剛石還是其 他形式的碳沉積。碳化物工具通常具有兩種襯底成分或相，并且雖然襯底表面處的碳化物顆粒促進 所期望的金剛石沉積，但金屬粘結(jié)劑(尤其如果是鈷或鎳)趨向于促進石墨沉積。石墨是 不期望的，不僅因為其是一種軟的不穩(wěn)定材料而不能提供所期望的硬的、耐用的工具涂層， 而且因為其促進形成在碳化物上的金剛石層的結(jié)合破壞和剝落。因此，根據(jù)本發(fā)明，通過提 供化學(xué)相容的、均質(zhì)沉積表面，沉積第一層耐火金屬碳化物材料為工具表面進行后續(xù)的金 剛石沉積作好了準(zhǔn)備。在實施本發(fā)明時，對這種碳化物工件進行準(zhǔn)備使得結(jié)合金屬的碳化鎢襯底的表面 是適當(dāng)干凈的并且具有適當(dāng)織構(gòu)以便初始的耐火金屬碳化物沉積。在已經(jīng)沉積了耐火金屬 碳化物使得整個工具表面覆蓋有均質(zhì)的耐火金屬碳化物層后，將多晶金剛石沉積在涂覆有 碳化物的襯底上。這通過改變用于沉積工藝的氣體組分來實現(xiàn)。最開始，氣體混合物包括 氫氣和耐火金屬鹵化物氣體，使得能夠進行耐火金屬碳化物的沉積。然后，為了沉積多晶金 剛石，使用了包括烴和氫氣的氣體混合物。在這些情況之間過渡可有相當(dāng)?shù)撵`活性，因為如 果氣體混合物包括耐火金屬鹵化物、烴和氫氣，則金剛石和耐火金屬碳化物可被共沉積，使 得能夠形成復(fù)合外涂層。這使得從耐火金屬碳化物基層到多晶金剛石層的過渡的碳化物含 量在所沉積的層中能夠是突變或漸變的，并且使得能夠具有成分梯度和可達到所沉積層期 望厚度的覆蓋沉積的結(jié)構(gòu)。襯底區(qū)域通常將包含基本上整個工具表面，不過通過適當(dāng)?shù)恼谘?，襯底區(qū)域可被 限制成僅為選定的區(qū)域，例如工具的切削刃。耐火金屬碳化物和金剛石的沉積均使用化學(xué)氣相沉積工藝進行，并且可通過利用 例如襯底表面附近的微波輻射或熱燈絲來激活氣體而得到促進。對于碳沉積，對沉積工藝 進行管理使得碳基本上作為金剛石沉積，其中SP3碳_碳鍵合占優(yōu)勢，石墨特性的SP2碳_碳 鍵合只占最小的比例。這種類型的具有一些Sp2鍵合特性的涂層有時被描述為類金剛石而 不是金剛石，不過為了簡明起見，本申請將繼續(xù)認為該涂層為金剛石。金剛石簇將成核并在碳化鎢基層上形成。因此，耐火金屬碳化物可被選定為碳化 鎢并且從包括了六氟化鎢和氫氣的氣體混合物中沉積。將在所沉積的碳化鎢和襯底碳化鎢 之間以及所沉積的碳化鎢和鈷粘結(jié)劑之間獲得良好的粘合。因此，碳化鎢的沉積將產(chǎn)生用 于金剛石沉積并且牢固粘合到碳化物襯底的化學(xué)均質(zhì)基層。因此，發(fā)明人作出了出乎意料且令人驚喜的發(fā)現(xiàn)，其通過控制沉積工藝，尤其是氣 體組分和溫度，產(chǎn)生適合于形成粘合金剛石涂層的表面是可行的。本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點從后面的示例性優(yōu)選實施例的描述將變得更加明顯。本發(fā)明還提供了以下方案1. 一種用于在襯底表面上沉積粘合含金剛石涂層的方法，所述襯底包括金屬粘結(jié)劑內(nèi)的金屬碳化物顆粒，所述方法包括使所述襯底接觸包括氣態(tài)耐火金屬鹵化物和氫氣的氣態(tài)混合物，并且在所述襯底 上沉積耐火金屬碳化物的基層，所述基層覆蓋暴露在所述襯底表面的所述金屬碳化物顆粒 和金屬粘結(jié)劑；并且接下來在溫度和壓力條件下使所沉積的耐火金屬碳化物的所述基層接觸包括烴和氫氣 的氣態(tài)混合物，以從所述氣態(tài)混合物中將包括多晶金剛石的粘合涂層沉積到所述基層上。2.如方案1所述的方法，其特征在于，所述基層與包括耐火金屬氫化物化合物、 氫氣和烴的氣態(tài)混合物接觸，以將金剛石和耐火金屬碳化物的粘合涂層共沉積到所述基層 上。3.如方案2所述的方法，其特征在于，所述基層接連與包括不同量的耐火金屬氫 化物化合物、氫氣和烴的兩種或更多種氣態(tài)混合物接觸，以將包括金剛石和耐火金屬碳化 物的粘合涂層共沉積到所述基層上，其中，所述涂層的金剛石含量在所述涂層的部分中隨 離所述基層的距離增加而升高。4.如方案1所述的方法，其特征在于，所述基層和涂層被沉積成高至約三十微米 的總厚度。5.如方案1所述的方法，其特征在于，所述氣態(tài)耐火金屬鹵化物和氫氣以基本上 化學(xué)計量比例存在。6.如方案1所述的方法，其特征在于，所述耐火金屬是由鈦、鋯、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、 和鎢構(gòu)成的組中的一種。7.如方案1所述的方法，其特征在于，所述氣態(tài)烴基本上由一種或幾種烴化合物 組成，所述烴化合物選自由烷烴、烯烴、炔烴、環(huán)烷烴和芳烴構(gòu)成的組。8.如方案1所述的方法，其特征在于，所述金屬碳化物顆粒包括碳化鎢，所述金屬 粘結(jié)劑選自由鈷、鎳、鉻及其合金構(gòu)成的組。9.如方案1所述的方法，其特征在于，所述耐火金屬鹵化物氣體是六氟化鎢，其 中，使得能夠在所述襯底上沉積所述耐火金屬碳化物的條件包括600°C到1000°C范圍內(nèi)的 溫度以及10托到100托之間的總氣壓。10.如方案1所述的方法，其特征在于，所述襯底是物品的一部分，所述物品是由 切削工具、襯套、鉆套、密封環(huán)、噴嘴、模具、引導(dǎo)件、輥、防磨條、沖頭和銷構(gòu)成的組中的一 種。11. 一種用于在工具襯底上沉積粘合多晶含金剛石涂層的方法，所述工具襯底包 括金屬鈷粘結(jié)劑內(nèi)的金屬碳化物顆粒，所述金屬碳化物顆粒和鈷均暴露在所述襯底表面； 所述方法包括選擇氫氣和至少一種氣態(tài)耐火金屬鹵化物化合物的組合作為氣態(tài)混合物，以便在 所述襯底上沉積耐火金屬碳化物；第一步預(yù)先確定用于所選定襯底的耐火金屬鹵化物化合物和氫氣的氣態(tài)混合物 以及用于使所述工具襯底接觸所述氣態(tài)混合物以在所述襯底表面上沉積涂層的溫度和壓 力參數(shù)，所述涂層包括至少一種耐火金屬碳化物；接下來利用所預(yù)先確定的氣態(tài)混合物以及參數(shù)在所述襯底上沉積這種涂層；隨后第二步預(yù)先確定用于所選定襯底的至少一種氣態(tài)烴化合物和氫氣的氣態(tài)混合物以及用于使所述工具襯底接觸所述氣態(tài)混合物以在所述襯底表面上沉積涂層的溫度和壓 力參數(shù)，所述涂層包括多晶金剛石；并且接下來利用所預(yù)先確定的氣態(tài)混合物以及參數(shù)在所述襯底上沉積這種涂層。12.如方案11所述的方法，其特征在于，所述第一步被執(zhí)行以沉積耐火金屬碳化 物，然后所述第一步和所述第二步被同步進行以共沉積金剛石和耐火金屬碳化物。13.如方案11所述的方法，其特征在于，所述氣態(tài)烴是由烷烴、烯烴、炔烴、環(huán)烷烴 和芳烴構(gòu)成的組中的一種。14.如方案11所述的方法，其特征在于，所述金屬碳化物顆粒包括碳化鎢。15.如方案11所述的方法，其特征在于，所述耐火金屬鹵化物氣體是六氟化鎢，其 中，使得能夠沉積碳化鎢的所預(yù)先確定的參數(shù)包括600°C到1000°C范圍內(nèi)的溫度以及10托 到100托之間的總氣壓。16. 一種包括襯底的物品，所述襯底包括金屬粘結(jié)劑基體內(nèi)的金屬碳化物顆粒，所 述襯底具有表面，所述表面包括表面涂層，所述表面涂層包括第一層和第二層，所述第一層 包括至少一種耐火金屬碳化物，所述第二層包括多晶金剛石。17.如方案16所述的物品，其特征在于，所述物品是切削工具。18.如方案16所述的物品，其特征在于，所述物品是包括襯底的切削工具，所述襯 底包括鈷粘結(jié)劑基體內(nèi)的金屬碳化物顆粒，所述襯底具有涂層，所述涂層基本上由第一層 和第二層組成，所述第一層包括至少一種耐火金屬碳化物，所述第二層包括多晶金剛石。19.如方案16所述的物品，其特征在于，在所述切削工具襯底上的所述涂層的厚 度高至約30微米。


圖1示出了適合于本發(fā)明實踐方式的代表性碳化物切削工具(端銑刀)的示例。 該工具表示了可由本發(fā)明處理的復(fù)雜工件和襯底幾何形狀。圖2是由本發(fā)明實踐方式所沉積涂層的另一個實施例的局部剖面示意圖，示出了 其與碳化物工具襯底的關(guān)系。在該實施例中，首先沉積碳化鎢層，隨后共沉積碳化鎢和金剛 石以在所沉積的碳化鎢襯底上產(chǎn)生金剛石和碳化鎢層的粘合復(fù)合涂層。圖3是由本發(fā)明實踐方式所沉積涂層的一個實施例的局部剖面示意圖，示出了其 與碳化物工具襯底的關(guān)系。在該實施例中，首先沉積碳化鎢層，隨后沉積多晶金剛石以在所 沉積的碳化鎢襯底上產(chǎn)生粘合多晶層。
具體實施例方式本發(fā)明的實踐方式在其一種碳化物切削工具應(yīng)用的背景下進行了討論，圖1示出 了其的一個示例。該工具10通過柄部12被固定到銑床內(nèi)的夾盤或套爪，并且具有在其下 側(cè)16上和沿工具18長度上的多個切削刃14 (未標(biāo)出所有這些切削刃)。該工具用來快速 的金屬去除(“粗加工”)，并且具有在沿工具18長度延伸的切削刃14上的切屑分離特征 20。這些切屑分離部20用來使切屑碎裂成更小更可控制的金屬碎屑。螺旋槽22( “出屑 槽”)從工具下側(cè)16幾乎伸展到柄部12，用來傳送和排出加工切屑。除了柄部12，該工具 的所提及的元件均經(jīng)受下述情況的一種或多種由于金屬切削引起的顯著負載、升高的溫度；以及由于金屬去除過程期間傳送金屬切屑或者由于工具在被加工表面上摩擦而引起的 磨損。因此，所描述的所有特征將從金剛石沉積受益，需要能夠在這種復(fù)雜工具幾何形狀上 進行沉積的沉積工藝。不過，碳化物的硬度和抗磨損性使其適合于多種應(yīng)用，包括襯套(包括鉆套)；密 封環(huán)；噴嘴；模具；引導(dǎo)件、輥和防磨條；沖頭和銷。本發(fā)明被廣泛地涉及在碳化物上形成改 進的金剛石涂層的裝置，因此任何由碳化物制成的物品均可作為用于金剛石沉積的襯底并 從而受益于本發(fā)明。因此，對本發(fā)明應(yīng)用在切削工具上的討論意圖是示例性的而非限制性 的?？捎玫奶蓟锕ぞ叩姆秶軓V。這些工具的不同之處在于a)金屬粘結(jié)劑相的量。粘結(jié)劑成分的優(yōu)選范圍是重量百分比5. 5% (例如ISO(國 際標(biāo)準(zhǔn)化組織)的KOl級和P 15級所采用的)到重量百分比11% (例如ISO的K30級和 P45級所采用的)。b)金屬粘結(jié)劑相的性質(zhì)。其通常為鈷，例如在前述ISO的K級和P級中的那樣，但 也可使用鎳和鉻，盡管遠不如鈷那么常用。c)硬顆粒的性質(zhì)。其通常為碳化鎢，但也可用下述材料包含含量為幾十個百分 點的碳化釩或碳化鉻的微晶粒級(micrograin grade)，以及包含數(shù)個百分點的碳化鈦、碳 化鉭和碳化鈮的合金級(alloyedgrade)。d)硬顆粒的尺寸。工具切削刃的鋒利度取決于硬顆粒的尺寸。因此用于粗切削的 工具通常將具有比用于精切削的工具更粗的顆粒。本發(fā)明通常適用于共同被稱為“碳化物”的材料族的全部成員，也就是復(fù)合材料， 該復(fù)合材料包括分散在金屬粘結(jié)劑中的至少一種金屬碳化物化學(xué)化合物的顆粒，該金屬粘 結(jié)劑包圍并固定顆粒。本發(fā)明尤其適用于那些金屬粘結(jié)劑相是鈷或鎳的材料，因為發(fā)明人 所確定的工藝條件有效地抑制了在這些粘結(jié)劑材料中形成不期望的石墨。這個結(jié)果與常規(guī) CVD金剛石沉積工藝的結(jié)果截然不同。清潔要求被降到最低程度，僅要求表面沒有油脂或油。這可利用合適的溶劑通過 超聲清洗實現(xiàn)，例如利用丙酮并隨后利用甲醇或乙醇，然后進行干燥。被清潔的工具放置在CVD室內(nèi)處于升高的溫度下，而后進行CVD工藝，優(yōu)選地利用 等離子輔助而同時將工具暴露于氣體混合物，該氣體混合物包括耐火金屬的氣態(tài)鹵素化合 物、氣態(tài)烴、氫氣和任選地惰性氣體。對于耐火金屬的定義不是通用的。對于本發(fā)明的目的 而言，耐火金屬是鈦、鋯、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、和鎢。耐火金屬的氣態(tài)鹵素化合物優(yōu)選地基于鎢或鉬，而且也可基于氟化物或氯化物， 只要該氣體在工作溫度下不會自分解。同樣取決于化學(xué)穩(wěn)定性要求，溴化物和碘化物是可 接受的，但不是優(yōu)選的。優(yōu)選的氣態(tài)烴是甲烷(CH4)，但是也可使用其他物質(zhì)，包括更高級的烷烴(higher alkane)、烯烴、炔烴、環(huán)烷烴和芳烴。優(yōu)選的惰性氣體是氬氣，但也可使用其他惰性氣體例 如氦氣和氖氣?？偟氖覊簯?yīng)當(dāng)維持在10托到100托之間，并且優(yōu)選的反應(yīng)溫度是約800°C。 溫度的下限是對應(yīng)于最小可接受金剛石涂層量的約600°C，而上限是對應(yīng)于即使存在WF6W 情況下都能開始石墨化的約1000°C。沉積工藝可使用等離子或熱燈絲沉積工藝來進行。兩種系統(tǒng)均可用于合成金剛
7石，但等離子CVD系統(tǒng)可在復(fù)雜幾何形狀工具上提供更均勻的涂層，因此是優(yōu)選的。通過控制氣體組分來對該工藝進行控制，以在工藝的不同時間促進下面兩個普適 反應(yīng)中的一個。
1)
..................(2)其中RM是耐火金屬；Hal 鹵素；(RM) (Hal)x是耐火金屬的氣態(tài)鹵代化合物，其由耐火金屬RM(此處假設(shè)價態(tài)為 +x)和鹵化物Hal組成；CnHm是每m個氫H原子含有η個碳C原子的烴。“n”、“m”、“q”和“X”是常數(shù)，對應(yīng)于配平反應(yīng)所需的原子數(shù)，并且 作為上述反應(yīng)對的具體示例，考慮下面涉及六氟化鎢(WF6)和甲烷(CH4)的模型反 應(yīng)，后面的討論將使用其作為基礎(chǔ)
3)
4)首先，通過引入由公式(3)所確定的化學(xué)計量比的六氟化鎢、甲烷和氫氣有利于 公式(3)所表示的反應(yīng)，使得所沉積的初始材料將會是碳化鎢。碳化鎢起到三個作用其充 當(dāng)鈷和后續(xù)沉積的金剛石之間的屏障；其形成了與碳化鎢和鈷的牢固鍵合；并且其產(chǎn)生了 用于后續(xù)金剛石沉積的晶核。應(yīng)當(dāng)注意，除了碳化鎢之外，反應(yīng)產(chǎn)物還有氫氟酸。這被預(yù)見 到在進一步清潔表面以促進良好粘合方面起到有益的作用，尤其是在該工藝的初始階段。因此，首先如圖2和圖3所示，工具30的包括了碳化物顆粒32和金屬粘結(jié)劑34 的襯底表面31被耐火金屬碳化物(在本示例中是碳化鎢)層36覆蓋，這提供了新的表面 33，其均勻地包括碳化鎢的晶?；蚓w并且適合于進一步的沉積。隨著沉積的進行，WF6和氫氣的濃度以化學(xué)計量比逐漸降低以促進公式⑷的反 應(yīng)。取決于WF6的一些殘余濃度是否保持在反應(yīng)氣體混合物內(nèi)，接下來被沉積的層可以是 納米晶金剛石40和碳化鎢42的復(fù)合涂層(如圖2所示)或者僅是多晶金剛石38 (如圖3 所示)。圖2和圖3是兩種碳化物工具襯底的局部視圖，這兩種碳化物工具襯底具有碳化 鎢基層以及多晶金剛石覆層(over-layer)和復(fù)合的多晶金剛石-耐火金屬碳化物覆層的 不同實施例。這些含金剛石的覆層將被成形以在碳化物工具的實施例上提供切削表面或切 削刃。并且，覆層將被適當(dāng)?shù)爻尚我员銓崿F(xiàn)其在其他具有這種涂覆碳化物襯底的物品中所 試圖達到的目的。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到所描述的復(fù)合物通常包括連續(xù)相和非連續(xù)相。如圖2所 示，碳化物相42是連續(xù)的而金剛石相40是非連續(xù)的。然而通過調(diào)整氣體成分，有可能使這 些相的比例(fraction)和貢獻反轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生包括了連續(xù)相的多晶金剛石和非連續(xù)相的耐 火金屬碳化物的第二沉積層。
首先引入WFe/吐氣體混合物的意圖在于促進在金屬粘結(jié)劑上形成碳化鎢，從而保 護反應(yīng)性氣體混合物不暴露于金屬粘結(jié)劑材料，該反應(yīng)性氣體混合物配制成使碳沉積為多 晶金剛石。因此，一旦金屬粘結(jié)劑(圖2和圖3的粘結(jié)劑34)完全涂覆有合適厚度的碳化 鎢層(圖2和圖3的層36)，則適合于形成WC的氣體混合物可轉(zhuǎn)變成適合于金剛石沉積的 氣體混合物。這個時間在某種程度上可基于所使用的特定工藝參數(shù)發(fā)生變化，但通常將不 超過兩個小時。第一沉積碳化鎢襯底將是多晶的，并且所得到的晶粒邊界將是金剛石顆粒 的優(yōu)選成核位置。作為示例而本發(fā)明的實踐方式的非限制，碳化鎢基層可以是數(shù)個納米厚 或更厚，這部分地取決于原始碳化物襯底表面的粗糙度。對于一些應(yīng)用，圖2所示碳化鎢和納米晶金剛石的復(fù)合層可帶來令人滿意的切削 性能，從而可能不必有專門的金剛石涂層。這種復(fù)合膜可具有提高的斷裂韌性，使得其更能 抵抗導(dǎo)致碎片和破裂的沖擊負載。通常，多晶單相陶瓷，諸如多晶金剛石和多晶碳化物，具 有相對較差的斷裂韌性。然而，陶瓷加工領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識到加入第二相即使是第二 陶瓷相都可有效地給復(fù)合陶瓷賦予提高的斷裂韌性。作為顆粒加入的第二相的有效性不如 那些以其他幾何構(gòu)形存在的第二相。然而，應(yīng)當(dāng)預(yù)見到多晶金剛石-碳化物的復(fù)合物將提 供比單獨的多晶金剛石更高的斷裂韌性。類似地，應(yīng)當(dāng)預(yù)見到多晶碳化物-金剛石的復(fù)合 物將提供比單獨的多晶碳化物更高的韌性。因此，可能希望貫穿整個CVD工藝保持三種化 學(xué)活性氣體(即氫氣、烴和鹵代耐火金屬)，以制造圖2所示意性示出的復(fù)合涂層。對于那些期望基本上都是金剛石涂層的應(yīng)用，然后WF6的流可被完全切斷。這與 僅提供充足的氫氣流來控制金剛石沉積速度一起，將導(dǎo)致僅發(fā)生公式(4)的反應(yīng)，從而將 形成如圖3所示意性示出的僅由金剛石組成的膜。該工藝可根據(jù)操作員的決定在4-10個小時的時間段上進行，所選擇的時間取決 于期望的涂層厚度(基層加上含金剛石層，通常優(yōu)選的是高至30微米)和期望的沉積的化 學(xué)復(fù)雜度。應(yīng)當(dāng)意識到，已經(jīng)在氣體成分的突變從而在所得到的復(fù)合沉積物中的突然或階 梯變化方面描述了本工藝。然而，也可利用逐漸變化的氣體成分來實施本工藝，在這種情況 下，所沉積的膜將具有比圖2和圖3所示的更平滑變化的成分。雖然已經(jīng)以示例的方式從優(yōu)選實施例的角度描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā) 明并不限于所公開的實施例。相反，本發(fā)明旨在覆蓋對于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的各種修改 和類似的結(jié)構(gòu)。因此，所附權(quán)利要求的范圍應(yīng)當(dāng)被給予最廣泛的解釋，使得包括所有這種修 改和類似的結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
一種用于在襯底表面上沉積粘合含金剛石涂層的方法，所述襯底包括金屬粘結(jié)劑內(nèi)的金屬碳化物顆粒，所述方法包括使所述襯底接觸包括氣態(tài)耐火金屬鹵化物和氫氣的氣態(tài)混合物，并且在所述襯底上沉積耐火金屬碳化物的基層，所述基層覆蓋暴露在所述襯底表面的所述金屬碳化物顆粒和金屬粘結(jié)劑；并且接下來在溫度和壓力條件下使所沉積的耐火金屬碳化物的所述基層接觸包括烴和氫氣的氣態(tài)混合物，以從所述氣態(tài)混合物中將包括多晶金剛石的粘合涂層沉積到所述基層上。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基層與包括耐火金屬氫化物化合物、氫氣 和烴的氣態(tài)混合物接觸，以將金剛石和耐火金屬碳化物的粘合涂層共沉積到所述基層上。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述基層接連與包括不同量的耐火金屬氫 化物化合物、氫氣和烴的兩種或更多種氣態(tài)混合物接觸，以將包括金剛石和耐火金屬碳化 物的粘合涂層共沉積到所述基層上，其中，所述涂層的金剛石含量在所述涂層的部分中隨 離所述基層的距離增加而升高。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述基層和涂層被沉積成高至約三十微米 的總厚度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣態(tài)耐火金屬鹵化物和氫氣以基本上 化學(xué)計量比例存在。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述耐火金屬是由鈦、鋯、釩、鈮、鉭、鉻、鉬、 和鎢構(gòu)成的組中的一種。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣態(tài)烴基本上由一種或幾種烴化合物 組成，所述烴化合物選自由烷烴、烯烴、炔烴、環(huán)烷烴和芳烴構(gòu)成的組。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬碳化物顆粒包括碳化鎢，所述金屬 粘結(jié)劑選自由鈷、鎳、鉻及其合金構(gòu)成的組。
9.一種用于在工具襯底上沉積粘合多晶含金剛石涂層的方法，所述工具襯底包括金屬 鈷粘結(jié)劑內(nèi)的金屬碳化物顆粒，所述金屬碳化物顆粒和鈷均暴露在所述襯底表面；所述方 法包括選擇氫氣和至少一種氣態(tài)耐火金屬鹵化物化合物的組合作為氣態(tài)混合物，以便在所述 襯底上沉積耐火金屬碳化物；第一步預(yù)先確定用于所選定襯底的耐火金屬鹵化物化合物和氫氣的氣態(tài)混合物以及 用于使所述工具襯底接觸所述氣態(tài)混合物以在所述襯底表面上沉積涂層的溫度和壓力參 數(shù)，所述涂層包括至少一種耐火金屬碳化物；接下來利用所預(yù)先確定的氣態(tài)混合物以及參數(shù)在所述襯底上沉積這種涂層；隨后第二步預(yù)先確定用于所選定襯底的至少一種氣態(tài)烴化合物和氫氣的氣態(tài)混合物以及 用于使所述工具襯底接觸所述氣態(tài)混合物以在所述襯底表面上沉積涂層的溫度和壓力參 數(shù)，所述涂層包括多晶金剛石；并且接下來利用所預(yù)先確定的氣態(tài)混合物以及參數(shù)在所述襯底上沉積這種涂層。
10.一種包括襯底的物品，所述襯底包括金屬粘結(jié)劑基體內(nèi)的金屬碳化物顆粒，所述襯 底具有表面，所述表面包括表面涂層，所述表面涂層包括第一層和第二層，所述第一層包括 至少一種耐火金屬碳化物，所述第二層包括多晶金剛石。
全文摘要
本發(fā)明涉及硬質(zhì)合金上的高硬度納米復(fù)合涂層。具體描述了在硬質(zhì)合金切削工具或其他工件襯底上通過形成多晶金剛石涂層或包括耐火金屬碳化物和多晶金剛石的復(fù)合涂層來產(chǎn)生粘合表面涂層的方法。通過順序的化學(xué)氣相沉積工藝沉積該涂層，首先使用特定的氫氣和耐火金屬鹵化物的氣體混合物來沉積耐火金屬碳化物的基層。這一步隨后是第二步，在第二步中，從包括烴和氫氣的氣體混合物中沉積多晶金剛石。也設(shè)想了在第二步中共沉積耐火金屬碳化物和金剛石以產(chǎn)生強化的金剛石涂層。
文檔編號C23C24/08GK101899661SQ20101019287
公開日2010年12月1日 申請日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者L·C·列夫, M·J·盧基特希, X·肖 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司