一种金刚石复合涂层、具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法。合金刀具由刀具基体和金刚石复合涂层构成。刀具基体设置有正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层。金刚石复合涂层包括作为过渡层的Ti‑Al‑Si‑Cr合金层和作为功能层的金刚石层。本发明具有该金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其刀具基体与金刚石复合涂层结合性好，整体刀具具有良好的耐磨耐温性能，强度高、抗冲击性能优良。金刚石复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，其耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好。
1.一种具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：由刀具基体和设置于刀具基体上的金刚石复合涂层构成；
所述刀具基体包括正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，所述正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列；
所述金刚石复合涂层包括用于沉积于贫钴富立方相层表面作为过渡层的Ti-Al-Si-Cr合金层和沉积于过渡层上作为功能层的金刚石层；
所述正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-10000nm；
所述正常组织层的厚度大于2mm，所述富钴过渡层的厚度为20-100微米；所述贫钴富立方相层的厚度为20-50 微米；
所述Ti-Al-Si-Cr合金层的厚度为2-3微米，所述金刚石层的厚度为15-20微米；
所述刀具基体中钴的含量为8-12wt.%；所述正常组织层的WC晶粒尺寸为1nm-400nm；所述Ti-Al-Si-Cr合金层通过物理气相沉积法制备，所述金刚石层通过化学气相沉积法制备。
2.根据权利要求1所述的具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：所述Ti-Al-Si-Cr合金层的具体制备方法如下，
把经超声波清洗的硬质合金刀具基体放入PVD设备的真空室，抽真空达到0.5×10-1-
1.5×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具基体表面2-5分钟；
然后在轰击偏压200-300V 、弧电源50-90A的条件下，镀膜20-60分钟；
然后关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1-2 小时后取出样品；此时，硬质合金刀具基体贫的钴富立方相层表面镀制了一层厚度为2-3微米的Ti-Al-Si-Cr合金层；
表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中制备金刚石层，制备金刚石层的具体方法如下，（2.1)把镀有Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体放入化学气相沉积设备的真空室，使刀具基体距离电阻丝2mm-6mm；
（2.2)打开冷却水系统，先抽真空到8-15托，然后打开热丝电源，缓慢加电流，电流达到
500-650A时，打开氢气质量流量计，流量为900-1000sccm；
（2.3)3分钟后打开甲烷质量流量计，流量为100-300sccm，1.5-3小时后减小电流，关闭甲烷流量计，15-30分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，保持冷却系统正常运转；
（2.4)1-1.5小时后关闭冷却系统，打开真空室门，取出整体刀具，此时，Ti-Al-Si-Cr合金层表面镀有一层厚度为15-20微米的金刚石层。
3.根据权利要求2所述的具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其特征在于：所述Ti-Al-Si-Cr合金层的具体制备方法如下，
采用纯度 99.99%的高纯海绵钛、纯度99.99%的高纯铝、纯度99.99%的高纯硅、99.99%的高纯铬作为原料，以重量百分比计：Ti占70-80%、Al占5-10%、Si占5-10%、Cr占10-20%的比例进行真空冶炼得到合金锭，然后将合金锭加工成直径120mm、长200mm的柱形靶材作为Ti-Al-Si-Cr合金靶材；
把经超声波清洗的硬质合金刀具基体放入PVD设备的真空室，抽真空达到1×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具基体表面3分钟；
然后在轰击偏压250V 、弧电源60A的条件下，镀膜30-40分钟；
然后关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1.5 小时后取出样品；此时，刀具基体的贫钴富立方相层表面镀制了一层厚度为2-3微米的Ti-Al-Si-Cr合金层；
表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中制备金刚石层，制备金刚石层的具体方法如下，（2.1)把镀有Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体放入化学气相沉积设备的真空室，使刀具基体距离电阻丝3mm-4mm；
（2.2)打开冷却水系统，先抽真空到10托，然后打开热丝电源，缓慢加电流，电流达到
600A时，打开氢气质量流量计，流量为900-1000sccm；
（2.3)3分钟后打开甲烷质量流量计，流量为150-200sccm，2小时后减小电流，关闭甲烷流量计，20分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，保持冷却系统正常运转；
（2.4)1-1.5小时后关闭冷却系统，打开真空室门，取出整体刀具，此时，Ti-Al-Si-Cr合金层表面镀有一层厚度为15-20微米的金刚石层。
4.如权利要求1至3任意一项所述的具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法，其特征在于：包括刀具基体的制备和在刀具基体表面制备金刚石复合涂层；金刚石复合涂层的制备是先通过物理气相沉积法在刀具基体的贫钴富立方相层表面镀制Ti-Al-Si-Cr合金层，表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中以化学气相沉积法制备金刚石层；
所述Ti-Al-Si-Cr合金层的具体制备方法如下，
把经超声波清洗的硬质合金刀具基体放入PVD设备的真空室，抽真空达到0.5×10-1-
1.5×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具基体表面2-5分钟；
然后在轰击偏压200-300V 、弧电源50-90A的条件下，镀膜20-60分钟；
然后关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1-2 小时后取出样品；此时，硬质合金刀具基体贫的钴富立方相层表面镀制了一层厚度为2-3微米的Ti-Al-Si-Cr合金层；
表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中制备金刚石层，制备金刚石层的具体方法如下，（2.1)把镀有Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体放入化学气相沉积设备的真空室，使刀具基体距离电阻丝2mm-6mm；
（2.2)打开冷却水系统，先抽真空到8-15托，然后打开热丝电源，缓慢加电流，电流达到
500-650A时，打开氢气质量流量计，流量为900-1000sccm；
（2.3)3分钟后打开甲烷质量流量计，流量为100-300sccm，1.5-3小时后减小电流，关闭甲烷流量计，15-30分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，保持冷却系统正常运转；
（2.4)1-1.5小时后关闭冷却系统，打开真空室门，取出整体刀具，此时，Ti-Al-Si-Cr合金层表面镀有一层厚度为15-20微米的金刚石层。
5.如权利要求4所述的具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法，其特征在于：所述Ti-Al-Si-Cr合金层的具体制备方法如下，
采用纯度 99.99%的高纯海绵钛、纯度99.99%的高纯铝、纯度99.99%的高纯硅、99.99%的高纯铬作为原料，以重量百分比计：Ti占70-80%、Al占5-10%、Si占5-10%、Cr占10-20%的比例进行真空冶炼得到合金锭，然后将合金锭加工成直径120mm、长200mm的柱形靶材作为Ti-Al-Si-Cr合金靶材；
把经超声波清洗的硬质合金刀具基体放入PVD设备的真空室，抽真空达到1×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具基体表面3分钟；
然后在轰击偏压250V 、弧电源60A的条件下，镀膜30-40分钟；
然后关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1.5 小时后取出样品；此时，刀具基体的贫钴富立方相层表面镀制了一层厚度为2-3微米的Ti-Al-Si-Cr合金层；
表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中制备金刚石层，制备金刚石层的具体方法如下，（2.1)把镀有Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体放入化学气相沉积设备的真空室，使刀具基体距离电阻丝3mm-4mm；
（2.2)打开冷却水系统，先抽真空到10托，然后打开热丝电源，缓慢加电流，电流达到
600A时，打开氢气质量流量计，流量为900-1000sccm；
（2.3)3分钟后打开甲烷质量流量计，流量为150-200sccm，2小时后减小电流，关闭甲烷流量计，20分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，保持冷却系统正常运转；
（2.4)1-1.5小时后关闭冷却系统，打开真空室门，取出整体刀具，此时，Ti-Al-Si-Cr合金层表面镀有一层厚度为15-20微米的金刚石层。
金刚石复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具
及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及硬质合金刀具技术领域，特别是涉及一种金刚石复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法。
背景技术
[0002] 硬质合金刀具在加工过程中承受极大的机械负荷和热负荷，极易产生磨损，从而影响其使用寿命，因此，对刀具材料进行表面改性，提高其表面性能，这对提高刀具材料的使用寿命具有重要的意义。
[0003] 在硬质合金表面涂上薄层的TiN、TiN、TiCN或Al2O3等高硬度耐磨材料，可提高刀具的耐磨性同时保持基体良好的韧性，可显著改善刀具材料的工作性能和使用寿命。然而涂层基本上为硬脆材料，并且和硬质合金基体材料热膨胀系数不同，在涂层与基体之间的界面存在应力集中现象，通常裂纹容易在涂层表面产生并向合金内部扩散导致的材料失效。
[0004] 金刚石虽然具有高硬度、高导热率、低摩擦系数、化学稳定性好等特点，但是由于金刚石涂层与硬质合金之间的结合力无法有效解决，限制了金刚石涂层在硬质合金刀具方面的应用。
[0005] 因此，针对现有技术不足，提供一种适用于硬质合金刀具表面性能增强的金刚石复合涂层、具有该复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法以克服现有技术不足甚为必要。
发明内容
[0006] 本发明的目的之一在于提供一种具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具及其制备方法，金刚石复合涂层与刀具基体结合性良好，刀具耐磨耐温性好，强度高，抗冲击性能优良。
[0007] 本发明的另一目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种金刚石复合涂层及其制备方法，金刚石复合涂层与刀具基体结合性良好，具有该涂层的刀具耐磨耐温性好，强度高，抗冲击性能优良。
[0008] 本发明的上述目的通过如下技术手段实现。
[0009] 提供一种具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具， 由刀具基体和设置于刀具基体上的金刚石复合涂层构成；
[0010] 所述刀具基体包括正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，所述正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列；
[0011] 所述金刚石复合涂层包括用于沉积于贫钴富立方相层表面作为过渡层的Ti-Al-Si-Cr合金层和沉积于过渡层上作为功能层的金刚石层。
[0012] 上所述刀具基体中钴的含量为5-15wt.%；
[0013] 所述正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-10000nm；
[0014] 所述正常组织层的厚度大于2mm，所述富钴过渡层的厚度为20-100微米；所述贫钴富立方相层的厚度为20-50 微米；
[0015] 所述Ti-Al-Si-Cr合金层的厚度为2-3微米，所述金刚石层的厚度为15-20微米。
[0016] 上述刀具基体中钴的含量为8-12wt.%；所述正常组织层的WC晶粒尺寸为1nm-400nm；所述Ti-Al-Si-Cr合金层通过物理气相沉积法制备，所述金刚石层通过化学气相沉积法制备。
[0017] 上述Ti-Al-Si-Cr合金层的具体制备方法如下，
[0018] （1.1）准备Ti-Al-Si-Cr合金靶材
[0019] （1.2）物理气相沉积方法镀膜
[0020] 把经超声波清洗的硬质合金刀具基体放入PVD设备的真空室，抽真空达到0.5×10-1-1.5×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具基体表面2-5分钟；
[0021] 然后在轰击偏压200-300V 、弧电源50-90A的条件下，镀膜20-60分钟；
[0022] 然后关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1-2 小时后取出样品；此时，硬质合金刀具基体贫的钴富立方相层表面镀制了一层厚度为2-3微米的Ti-Al-Si-Cr合金层；
[0023] 表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中制备金刚石层，制备金刚石层的具体方法如下，
[0024] （2.1)把镀有Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体放入化学气相沉积设备的真空室，使刀具基体距离电阻丝2mm-6mm；
[0025] （2.2)打开冷却水系统，先抽真空到8-15托，然后打开热丝电源，缓慢加电流，电流达到500-650A时，打开氢气质量流量计，流量为900-1000sccm；
[0026] （2.3)3分钟后打开甲烷质量流量计，流量为100-300sccm，1.5-3小时后减小电流，关闭甲烷流量计，15-30分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，保持冷却系统正常运转；
[0027] （2.4)1-1.5小时后关闭冷却系统，打开真空室门，取出整体刀具，此时，Ti-Al-Si-Cr合金层表面镀有一层厚度为15-20微米的金刚石层。
[0028] 进一步的，上述Ti-Al-Si-Cr合金层的具体制备方法如下，
[0029] （1.1）Ti-Al-Si-Cr合金靶材的制备
[0030] 采用纯度 99.99%的高纯海绵钛、纯度99.99%的高纯铝、纯度99.99%的高纯硅、99.99%的高纯铬作为原料，以重量百分比计：Ti占70-80%、Al占5-10%、Si占5-10%、Cr占10-
20%的比例进行真空冶炼得到合金锭，然后将合金锭加工成直径120mm、长200mm的柱形靶材作为Ti-Al-Si-Cr合金靶材；
[0031] （1.2）物理气相沉积方法镀膜
[0032] 把经超声波清洗的硬质合金刀具基体放入PVD设备的真空室，抽真空达到1×10-1
Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具基体表面3分钟；
[0033] 然后在轰击偏压250V 、弧电源60A的条件下，镀膜30-40分钟；
[0034] 然后关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1.5 小时后取出样品；此时，刀具基体的贫钴富立方相层表面镀制了一层厚度为2-3微米的Ti-Al-Si-Cr合金层；
[0035] 表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中制备金刚石层，制备金刚石层的具体方法如下，
[0036] （2.1)把镀有Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体放入化学气相沉积设备的真空室，使刀具基体距离电阻丝3mm-4mm；
[0037] （2.2)打开冷却水系统，先抽真空到10托，然后打开热丝电源，缓慢加电流，电流达到600A时，打开氢气质量流量计，流量为900-1000sccm；
[0038] （2.3)3分钟后打开甲烷质量流量计，流量为150-200sccm，2小时后减小电流，关闭甲烷流量计，20分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，保持冷却系统正常运转；
[0039] （2.4)1-1.5小时后关闭冷却系统，打开真空室门，取出整体刀具，此时，Ti-Al-Si-Cr合金层表面镀有一层厚度为15-20微米的金刚石层。
[0040] 提供一种具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法， 包括刀具基体的制备和在刀具基体表面制备金刚石复合涂层；金刚石复合涂层的制备是先通过物理气相沉积法在刀具基体的贫钴富立方相层表面镀制Ti-Al-Si-Cr合金层，表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中以化学气相沉积法制备金刚石层。
[0041] 上述Ti-Al-Si-Cr合金层的具体制备方法如下，
[0042] （1.1）准备Ti-Al-Si-Cr合金靶材
[0043] （1.2）物理气相沉积方法镀膜
[0044] 把经超声波清洗的硬质合金刀具基体放入PVD设备的真空室，抽真空达到0.5×10-1-1.5×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具基体表面2-5分钟；
[0045] 然后在轰击偏压200-300V 、弧电源50-90A的条件下，镀膜20-60分钟；
[0046] 然后关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1-2 小时后取出样品；此时，硬质合金刀具基体贫的钴富立方相层表面镀制了一层厚度为2-3微米的Ti-Al-Si-Cr合金层；
[0047] 表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中制备金刚石层，制备金刚石层的具体方法如下，
[0048] （2.1)把镀有Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体放入化学气相沉积设备的真空室，使刀具基体距离电阻丝2mm-6mm；
[0049] （2.2)打开冷却水系统，先抽真空到8-15托，然后打开热丝电源，缓慢加电流，电流达到500-650A时，打开氢气质量流量计，流量为900-1000sccm；
[0050] （2.3)3分钟后打开甲烷质量流量计，流量为100-300sccm，1.5-3小时后减小电流，关闭甲烷流量计，15-30分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，保持冷却系统正常运转；
[0051] （2.4)1-1.5小时后关闭冷却系统，打开真空室门，取出整体刀具，此时，Ti-Al-Si-Cr合金层表面镀有一层厚度为15-20微米的金刚石层。
[0052] 进一步的，上述Ti-Al-Si-Cr合金层的具体制备方法如下，
[0053] （1.1）Ti-Al-Si-Cr合金靶材的制备
[0054] 采用纯度 99.99%的高纯海绵钛、纯度99.99%的高纯铝、纯度99.99%的高纯硅、99.99%的高纯铬作为原料，以重量百分比计：Ti占70-80%、Al占5-10%、Si占5-10%、Cr占10-
20%的比例进行真空冶炼得到合金锭，然后将合金锭加工成直径120mm、长200mm的柱形靶材作为Ti-Al-Si-Cr合金靶材；
[0055] （1.2）物理气相沉积方法镀膜
[0056] 把经超声波清洗的硬质合金刀具基体放入PVD设备的真空室，抽真空达到1×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具基体表面3分钟；
[0057] 然后在轰击偏压250V 、弧电源60A的条件下，镀膜30-40分钟；
[0058] 然后关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1.5 小时后取出样品；此时，刀具基体的贫钴富立方相层表面镀制了一层厚度为2-3微米的Ti-Al-Si-Cr合金层；
[0059] 表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中制备金刚石层，制备金刚石层的具体方法如下，
[0060] （2.1)把镀有Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体放入化学气相沉积设备的真空室，使刀具基体距离电阻丝3mm-4mm；
[0061] （2.2)打开冷却水系统，先抽真空到10托，然后打开热丝电源，缓慢加电流，电流达到600A时，打开氢气质量流量计，流量为900-1000sccm；
[0062] （2.3)3分钟后打开甲烷质量流量计，流量为150-200sccm，2小时后减小电流，关闭甲烷流量计，20分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，保持冷却系统正常运转；
[0063] （2.4)1-1.5小时后关闭冷却系统，打开真空室门，取出整体刀具，此时，Ti-Al-Si-Cr合金层表面镀有一层厚度为15-20微米的金刚石层。
[0064] 提供一种用于梯度超细硬质合金刀具的金刚石复合涂层，包括用于沉积于刀具基体的贫钴富立方相层表面作为过渡层的Ti-Al-Si-Cr合金层和沉积于过渡层上作为功能层的金刚石层。
[0065] 提供一种金刚石复合涂层的制备方法，具体制备方法如下，
[0066] （1.1）Ti-Al-Si-Cr合金靶材的制备
[0067] 采用纯度 99.99%的高纯海绵钛、纯度99.99%的高纯铝、纯度99.99%的高纯硅、99.99%的高纯铬作为原料，以重量百分比计：Ti占70-80%、Al占5-10%、Si占5-10%、Cr占10-
20%的比例进行真空冶炼得到合金锭，然后将合金锭加工成直径120mm、长200mm的柱形靶材作为Ti-Al-Si-Cr合金靶材；
[0068] （1.2）物理气相沉积方法镀膜
[0069] 把经超声波清洗的硬质合金刀具基体放入PVD设备的真空室，抽真空达到1×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具基体表面3分钟；
[0070] 然后在轰击偏压250V 、弧电源60A的条件下，镀膜30-40分钟；
[0071] 然后关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1.5 小时后取出样品；此时，刀具基体的贫钴富立方相层表面镀制了一层厚度为2-3微米的Ti-Al-Si-Cr合金层；
[0072] 表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中制备金刚石层，制备金刚石层的具体方法如下，
[0073] （2.1)把镀有Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体放入化学气相沉积设备的真空室，使刀具基体距离电阻丝3mm-4mm；
[0074] （2.2)打开冷却水系统，先抽真空到10托，然后打开热丝电源，缓慢加电流，电流达到600A时，打开氢气质量流量计，流量为900-1000sccm；
[0075] （2.3)3分钟后打开甲烷质量流量计，流量为150-200sccm，2小时后减小电流，关闭甲烷流量计，20分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，保持冷却系统正常运转；
[0076] （2.4)1-1.5小时后关闭冷却系统，打开真空室门，取出整体刀具，此时，Ti-Al-Si-Cr合金层表面镀有一层厚度为15-20微米的金刚石层。
[0077] 本发明具有该金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其刀具基体与金刚石复合涂层结合性好，整体刀具具有良好的耐磨耐温性能，强度高、抗冲击性能优良。金刚石复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，其耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好。
附图说明
[0078] 利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。
[0079] 图1是本发明一种具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的示意图。
[0080] 图2是本发明一种具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的层间结构示意图。
具体实施方式
[0081] 结合以下实施例对本发明作进一步描述。
[0082] 实施例1。
[0083] 一种具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，如图1、图2所示，由刀具基体和设置于刀具基体上的金刚石复合涂层构成。
[0084] 刀具基体包括正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层，正常组织层、富钴过渡层和贫钴富立方相层按照从内而外的顺序依次排列。刀具基体中钴的含量为5-15wt.%，优选钴的含量为8-12wt.%。正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-10000nm，优选WC晶粒尺寸为1-500nm。
[0085] 贫钴富立方相层中富含立方相氮化物或碳氮化物，硬质合金中的立方相氮化物和碳氮化物具有比密排六方相的WC更高的硬度．因此，贫钴富立方相的表层具有更高的硬度。富钴过渡层中富含粘结相，当涂层中形成的裂纹扩散到该区域时, 由于其良好的韧性, 可以吸收裂纹扩散时的能量, 因此,能够有效地阻止裂纹向合金内部扩散，并且能较好地吸收刀具切削时的冲击能量，因而有高的抗冲击韧性特性，进而有利于提高刀具材料的使用寿命。芯部为刚性组织区域即正常组织层，WC晶粒分布均匀且细小，平均WC晶粒尺寸小于等于500nm，具有超细硬质合金优异的力学性能。
[0086] 正常组织层的厚度大于2mm,富钴过渡层的厚度为20-100微米，贫钴富立方相层的厚度为20-50 微米。
[0087] 金刚石复合涂层整体的厚度为1-25微米，优选为2-10微米。当涂层厚度低于1微米时，其耐磨性较差，在切削加工过程中很快被磨损，不能起到有效改善刀具切削性能和寿命的作用，而当涂层厚度超过 25微米时，涂层与基体的结合力差，过高的压应力导致涂层开裂和剥落，缩短刀具使用寿命。涂层的厚度是通过调节沉积时间来控制的。
[0088] Ti-Al-Si-Cr合金层的厚度为2-3微米，金刚石层的厚度为15-20微米。
[0089] 本发明在刀具基体与金刚石之间设置一层Ti-Al-Si-Cr合金层作为过渡层，利用钛、铬强碳化物形成材料的特性，与基体硬质合金和金刚石均有良好的浸润性和结合力，用以消除薄膜复合涂层与刀具基体因晶格失配、热膨胀系数差异而造成的内应力，既可以防止碳过度渗入刀具基体，又可以防止钴从基体深处向表面扩散。过渡层增进其与贫钴富立方相层之间的结合力，降低内应力。通过过渡层，在过渡层上沉积金刚石层，既能保证硬质合金刀具原有的强度和锋利度，又可以通过金刚石涂层，大幅度提高刀具的耐磨性，加工效率和使用寿命。
[0090] 本发明具有该金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其刀具基体与金刚石复合涂层结合性好，整体刀具具有良好的耐磨耐温性能，强度高、抗冲击性能优良。
[0091] 实施例2。
[0092] 提供一种具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法，包括刀具基体的制备和在刀具基体表面制备金刚石复合涂层。
[0093] 刀具基体的具体制备过程如下：
[0094] (1)以难熔金属碳化物、粘结金属和TiCN和其他粉末如TiC, TaC, 或其他强氮化物形成元素的碳化物、碳氮化物为原料，通过球磨混合、干燥过筛、压制成型和烧结四个步骤制备得到硬质合金基体前驱体。
[0095] (2)对硬质合金基体前驱体进行精磨加工处理。
[0096] (3)对精磨加工处理后的硬质合金基体前驱体进行梯度烧结，制备得到表层贫钴和富立方相梯度结构硬质合金刀具基体。
[0097] (4)对刀具基体进行化学清洗后，然后在其表面沉积金刚石复合涂层。
[0098] 金刚石复合涂层中，Ti-Al-Si-Cr合金层通过物理气相沉积法制备，所述金刚石层通过化学气相沉积法制备。
[0099] 金刚石复合涂层的制备是先通过物理气相沉积法在刀具基体的贫钴富立方相层表面镀制Ti-Al-Si-Cr合金层，表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中以化学气相沉积法制备金刚石层。
[0100] Ti-Al-Si-Cr合金层的具体制备方法如下：
[0101] （1.1）准备Ti-Al-Si-Cr合金靶材
[0102] （1.2）物理气相沉积方法镀膜
[0103] 把经超声波清洗的硬质合金刀具基体放入PVD设备的真空室，抽真空达到0.5×10-1-1.5×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具基体表面2-5分钟；
[0104] 然后在轰击偏压200-300V 、弧电源50-90A的条件下，镀膜20-60分钟；
[0105] 然后关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1-2 小时后取出样品；此时，硬质合金刀具基体贫的钴富立方相层表面镀制了一层厚度为2-3微米的Ti-Al-Si-Cr合金层。
[0106] 表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中制备金刚石层，制备金刚石层的具体方法如下：
[0107] （2.1)把镀有Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体放入化学气相沉积设备的真空室，使刀具基体距离电阻丝2mm-6mm；
[0108] （2.2)打开冷却水系统，先抽真空到8-15托，然后打开热丝电源，缓慢加电流，电流达到500-650A时，打开氢气质量流量计，流量为900-1000sccm；
[0109] （2.3)3分钟后打开甲烷质量流量计，流量为100-300sccm，1.5-3小时后减小电流，关闭甲烷流量计，15-30分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，保持冷却系统正常运转；
[0110] （2.4)1-1.5小时后关闭冷却系统，打开真空室门，取出整体刀具，此时，Ti-Al-Si-Cr合金层表面镀有一层厚度为15-20微米的金刚石层。
[0111] 本发明的制备方法采用用PVD 法先在硬质合金刀具基体上镀制一层Ti-Al-Si-Cr层作为过渡层，然后再用CVD方法在过渡层上沉积金刚石层。通过具体工艺确定靶材的成分和制备方法，通过具体PVD工艺参数的选择和控制，避免了膜层因升温过快引起的内应力过大而发生爆裂或脱落现象，使膜层与刀具基体之间具有很好的附着力。本发明通过过渡层的镀制，再制备金刚石层，最终获得性能优良的梯度超细硬质合金刀具。
[0112] 本发明所制备的具有该金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其刀具基体与金刚石复合涂层结合性好，整体刀具具有良好的耐磨耐温性能，强度高、抗冲击性能优良。
[0113] 实施例3。
[0114] 提供一种具有金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具的制备方法，包括刀具基体的制备和在刀具基体表面制备金刚石复合涂层。
[0115] 刀具基体由以下质量百分比的各组分烧结而成：5-15%的TiC，2-5%的TaC，10-15%合金粘结相，余量为WC。合金粘结相由以下质量百分比的粉体组成：0.5-5.5%的Cr，0.5-5.5%的Mo，0.5-5.5%的B，0.5-5.5%的Al，0.5-5.5%的V，0.5-5.5%的Y，0.5-5.5%的Si，余量为Co，且合金粘结相中Cr、Mo、B、Al、V、Y和Si的质量之和为合金粘结相质量的7-20%。
[0116] 刀具基体的制备方法，包括以下步骤：
[0117] S1、制备合金粘结相：按质量百分比分别称取Cr、Mo、B、Al、V、Y、Si、Co八种粉体，将八种粉体混合均匀，得合金粘结相。优选将八种粉体置于球磨机中，用硬质合金研磨球球磨72小时，且每球磨1h就暂停球磨10min，得到合金粘结相。
[0118] S2、制备坯料：按质量百分比分别称取合金粘结相、TiC、TaC、WC四种组分，四种组分组成原料粉体；按原料粉体总质量的1.5-2.5%称取石蜡，并将石蜡与原料粉体混合均匀，得到坯料。
[0119] S3、压制坯体：将坯料压制成型，得坯体。
[0120] 可先用压模机将坯料压制成型，得初坯体；再用冷等静压机进一步压制初坯体，得坯体。
[0121] S4、烧结：将坯体置于烧结炉中，以5-8℃/min的速度升温至1200-1250℃，保温18-22min，并保持10-3Pa以下的真空度；然后向烧结炉中充入氮气并以1-3℃/min的速度升温至
1420-1450℃，保温55-65min且保持0.2MPa以上的压强；接着再以2-6℃/min的速度降温至
1000-1200℃，保温110-130min，并保持0.2MPa以上的压强；再接着坯体随炉冷却，并保持
0.2MPa以上的压强，制得表面硬化的梯度硬质合金。
[0122] 可在步骤S4前，进行预烧结步骤，所述预烧结步骤是将坯体置于烧结炉中，在惰性气体气氛下，以1400℃烧结10min；坯体随炉冷却后精修坯体外形。
[0123] 该方法所制备的硬质合金的刀具基体中钴的含量为5-15wt.%.%。正常组织层为超细硬质合金，WC晶粒尺寸为1-10000nm。刀具基体具有优异的力学性能，改善了硬质合金的红硬性。硬质合金基体内的晶粒细小，为正常组织层；硬质合金的表层富立方相而贫粘结相即贫钴富立方相，且表层下还有一富合金化粘结相的过渡层即富钴过渡层，从而使硬质合金具有优异的硬度、耐磨性和韧性。
[0124] 合金基体制备完成后，对其进行化学清洗，然后在其表面沉积金刚石复合涂层。
[0125] 金刚石复合涂层的制备是先通过物理气相沉积法在刀具基体的贫钴富立方相层表面镀制Ti-Al-Si-Cr合金层，表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中以化学气相沉积法制备金刚石层。
[0126] Ti-Al-Si-Cr合金层的具体制备方法如下，
[0127] （1.1）Ti-Al-Si-Cr合金靶材的制备
[0128] 采用纯度 99.99%的高纯海绵钛、纯度99.99%的高纯铝、纯度99.99%的高纯硅、99.99%的高纯铬作为原料，以重量百分比计：Ti占70-80%、Al占5-10%、Si占5-10%、Cr占10-
20%的比例进行真空冶炼得到合金锭，然后将合金锭加工成直径120mm、长200mm的柱形靶材作为Ti-Al-Si-Cr合金靶材；
[0129] （1.2）物理气相沉积方法镀膜
[0130] 把经超声波清洗的硬质合金刀具基体放入PVD设备的真空室，抽真空达到1×10-1Pa时，开启电弧源，进行离子轰击，清洗硬质合金刀具基体表面3分钟；
[0131] 然后在轰击偏压250V 、弧电源60A的条件下，镀膜30-40分钟；
[0132] 然后关闭弧电源，使真空室缓慢冷却，1.5 小时后取出样品；此时，刀具基体的贫钴富立方相层表面镀制了一层厚度为2-3微米的Ti-Al-Si-Cr合金层；
[0133] 表面沉积了Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体经丙酣清洗干燥后，放入化学气相沉积设备中制备金刚石层，制备金刚石层的具体方法如下，
[0134] （2.1)把镀有Ti-Al-Si-Cr合金层的硬质合金刀具基体放入化学气相沉积设备的真空室，使刀具基体距离电阻丝3mm-4mm；
[0135] （2.2)打开冷却水系统，先抽真空到10托，然后打开热丝电源，缓慢加电流，电流达到600A时，打开氢气质量流量计，流量为900-1000sccm；
[0136] （2.3)3分钟后打开甲烷质量流量计，流量为150-200sccm，2小时后减小电流，关闭甲烷流量计，20分钟后电流为零，此时关闭氢气流量计，保持冷却系统正常运转；
[0137] （2.4)1-1.5小时后关闭冷却系统，打开真空室门，取出整体刀具，此时，Ti-Al-Si-Cr合金层表面镀有一层厚度为15-20微米的金刚石层。
[0138] 本发明的制备方法采用用PVD 法先在硬质合金刀具基体上镀制一层Ti-Al-Si-Cr层作为过渡层，然后再用CVD方法在过渡层上沉积金刚石层。通过具体工艺确定靶材的成分和制备方法，通过具体PVD工艺参数的选择和控制，避免了膜层因升温过快引起的内应力过大而发生爆裂或脱落现象，使膜层与刀具基体之间具有很好的附着力。本发明通过过渡层的镀制，再制备金刚石层，最终获得性能优良的梯度超细硬质合金刀具。
[0139] 本发明所制备的具有该金刚石复合涂层的梯度超细硬质合金刀具，其刀具基体与金刚石复合涂层结合性好，整体刀具具有良好的耐磨耐温性能，强度高、抗冲击性能优良。
[0140] 实施例4。
[0141] 一种用于梯度超细硬质合金刀具的金刚石复合涂层，其结构与实施例1-3中任意一项中的金刚石复合涂层相同，包括用于沉积于刀具基体的贫钴富立方相层表面作为过渡层的Ti-Al-Si-Cr合金层和沉积于过渡层上作为功能层的金刚石层。
[0142] 本发明制备的金刚石复合涂层，其与刀具基体结合性良好，复合涂层的涂层之间附着力良好，其耐高温性、耐腐蚀性、耐磨性良好，强度高、抗冲击性能优良。
[0143] 最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，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实质和范围。
