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CN119506823A - 一种多孔金刚石涂层及其制备方法和应用 - Google Patents

一种多孔金刚石涂层及其制备方法和应用 Download PDF

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CN119506823A
CN119506823A CN202311068812.5A CN202311068812A CN119506823A CN 119506823 A CN119506823 A CN 119506823A CN 202311068812 A CN202311068812 A CN 202311068812A CN 119506823 A CN119506823 A CN 119506823A
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silicon carbide
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porous
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周双庆
唐永炳
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Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
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Abstract

本发明提供了一种多孔金刚石涂层及其制备方法和应用。根据本发明的多孔金刚石涂层，包括金属基体，所述金属基体表面设有碳化硅复合中间层，所述碳化硅复合中间层中镶嵌有相互分散的金刚石晶粒，这些分散的金刚石晶粒之间形成了间隙和多孔结构，具有防止磨屑堵塞的效果。本发明的多孔金刚石涂层，用于刀具时，加工质量好，加工精度高，磨损率低，使用寿命长。此外，本发明的多孔金刚石涂层，不受工具形状的限制，可在任意复杂形状的微型精密工具上实现快速可控沉积，具有应用范围广、精度高、成本低等优点。本发明还提供了多孔金刚石涂层的制备方法和应用。

Description

一种多孔金刚石涂层及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于精密机械加工技术领域，具体涉及一种多孔金刚石涂层及其制备方法和应用。
背景技术
随着航空航天、微机电系统、微电子、医疗器械、汽车以及通讯领域行业的发展，人们对微小型高精密零件的需求日益增加，如微流体芯片上的微通道、微型热转换器、微型传感器、飞机和制导武器用导航系统中的微型陀螺仪等。微型关键核心部件多数为半导体、陶瓷材料，如用于微处理器和电极的单晶硅，用于基座和晶片载体的石英，用于5G射频芯片的碳化硅、氮化镓、碳化硅等等。这些材料由于硬度高、脆性大、极易解理，因此加工精度和表面质量不稳定，且碎片率极高，是典型的难加工材料。
相关技术中，对于微小型高精密零件，采用超微细机械加工方式，用金刚石刀具进行超精密车削、超精密铣削和超精密磨削。半导体核心部件除了材料本身难加工的特点外，加工件常常形状复杂、微小，所需钻削加工的微孔直径在1μm至1mm之间，并且对加工精度(0.1～1μm)和表面粗糙度(Ra0.02～0.1μm)要求高。传统的单晶金刚石和聚晶金刚石(PCD)超硬刀具材料需要通过镶嵌、烧结等工艺进行应用，在形状复杂的微型精密工具表面制备，存在密度低、均匀性差、耐磨性差和工件表面粗糙度高的缺点，难以应用。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明提供了一种多孔金刚石涂层，该多孔金刚石涂层通过中间层，以及分散的金刚石晶粒之间形成的防磨屑堵塞多孔结构，制备出适用于加工精度高，磨损率低，使用寿命长的刀具涂层。
本发明还提供了一种制备多孔金刚石涂层的方法。
本发明还提供了一种多孔金刚石涂层的应用。
本发明的第一方面提供了一种多孔金刚石涂层，包括金属基体，所述金属基体表面设有碳化硅复合中间层，所述碳化硅复合中间层中镶嵌有分散的金刚石晶粒。
微型工具通常以硬质合金或高速钢为基体，以金刚石为涂层。超微细加工过程中需要使用较小的切削深度，采用的刀具需要刃口非常锋利和高稳定性。刀具基体材料通常为硬质合金或高速钢，并在其表面镀硬质涂层。金刚石由于其极高的硬度、极高的耐磨性、极高的弹性模量、化学亲和性等优秀的物理化学特性，是超微细加工理想的刀具材料。
本发明关于多孔金刚石涂层的技术方案中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
硬脆材料加工中，一方面，加工工具的硬质涂层如金刚石涂层与基体结合力差，金刚石涂层与刀具基体的结合不足，会直接导致涂层失效和刀具寿命低，是金刚石涂层技术的关键技术问题。本发明针对结合力差的原因，通过在金属基体表面设置碳化硅复合中间层作为过渡中间层结构，在抑制钴扩散的同时降低内应力，提升了硬质涂层与基体的结合力。另一方面，加工工具的硬质涂层，在磨削过程中产生的磨屑易将砂轮堵塞，加工质量差，本发明的多孔金刚石涂层，碳化硅复合中间层中镶嵌有分散的金刚石晶粒，这些分散的金刚石晶粒之间形成了间隙和多孔结构，具有防止磨屑堵塞的效果，由此，本发明的多孔金刚石涂层，用于刀具时，加工质量好，加工精度高，磨损率低，使用寿命长。
本发明的多孔金刚石涂层，所述金属基体表面设有碳化硅复合中间层，所述碳化硅复合中间层中镶嵌有分散的金刚石晶粒。金属基体和涂层的结合强度和热应力有关。制备过程中，涂层生长的温度可以达到八百多摄氏度，当降到室温时，基体和涂层的热膨胀系数不同，因此存在热应力。硬质合金和碳化硅的膨胀系数不同，加入金刚石后，可以调节膨胀系数。具体而言，涂层生长初期，碳化硅多，金刚石少，热膨胀系数偏向于碳化硅；随着涂层的生长，碳化硅减少，金刚石数量越多，体积越大，热膨胀系数偏向于金刚石，最终，膨胀系数变小，多孔金刚石涂层与金属基体的结合力更优。
本发明的多孔金刚石涂层，从金属基体到表面的热膨胀系数呈现逐渐变小的趋势。
本发明的多孔金刚石涂层，不受工具形状的限制，可在任意复杂形状的微型精密工具上实现快速可控沉积，具有应用范围广、精度高、成本低等优点。
根据本发明的一些实施方式，每个所述金刚石晶粒，一部分埋设在所述碳化硅复合中间层中，另一部分裸露在所述碳化硅复合中间层外，形成凸起。
碳化硅复合中间层的作用类似于粘结剂，可以将金刚石晶粒的一部分埋在碳化硅复合中间层中，通过碳化硅复合中间层来提高涂层与基体的结合强度，金刚石晶粒之间形成的孔洞结构可以防止砂轮被磨屑堵塞，最终提高磨具的使用寿命。可以理解，作为磨具而言，为了利于打磨，需要粗糙度大，磨具要求表面有大颗粒，而磨具不像钻头，钻头上有螺纹可以排屑，但磨具没有排屑，如果磨具工作过程中产生的磨屑没有被及时排掉，则很容易划伤被加工工件的表面。而本发明的多孔金刚石涂层，金刚石晶粒之间形成的多孔结构，这些多孔结构为磨具工作过程中产生的磨屑提供了容纳场所，磨具工作过程中产生的磨屑会流到孔洞中，从而保护了被加工工件的表面不被划伤。
对于一般的涂层而言，金刚石晶粒是整体全部埋在镀层或粘结剂中的。而本发明的多孔金刚石涂层中，每个金刚石晶粒，一部分埋设在碳化硅复合中间层中，另一部分裸露在碳化硅复合中间层外，形成凸起。
根据本发明的一些实施方式，所述金刚石晶粒的高度大于所述碳化硅复合中间层的厚度。
金刚石晶粒尖端的高度和宽度，分别相当于磨粒凸起的高度和宽度，磨粒尺寸和密度会直接影响磨削加工性能。金刚石晶粒的高度大于碳化硅复合中间层的厚度，保证了碳化硅复合中间层表面上具有足够多的磨粒凸起，从而具有更好的磨削效果。
根据本发明的一些实施方式，所述金刚石晶粒的取向垂直于所述金属基体表面。
根据本发明的一些实施方式，所述金刚石晶粒包括微米级金刚石晶粒和亚微米级金刚石晶粒中的至少一种。
根据本发明的一些实施方式，所述金属基体包括硬质合金或高速钢。
根据本发明的一些实施方式，硬质合金包括YG6、YG8、YG6X和YG6M。
根据本发明的一些实施方式，硬质合金包括YG6 4130511、YG6X 4130511、YG84130511和YG6M 4160511。
本发明的第二方面提供了一种制备所述的多孔金刚石涂层的方法，包括以下步骤：依次用碱性溶液和酸性溶液对所述金属基体的表面进行预处理后，通过热丝化学气相沉积，在所述金属基体的表面上沉积形成所述碳化硅复合中间层和所述金刚石晶粒。
常用的涂层制备工艺包括聚晶金刚石法(Polycrystalline Diamond，简称PCD)、电镀、化学镀、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)等。金刚石磨具通常通过电镀或钎焊制成。其中，电镀工具由于缺乏化学键的作用而导致晶粒/基体附着力较弱。钎焊的金刚石由于高温钎焊会导致热损伤。
CVD是通过先驱反应物，在活化环境(热、光、等离子体)下通过分解、原子间的化学反应生成固态薄膜的技术。主要依据甲烷和氢气通过热丝加热可分解成活性的甲基自由基和原子氢，通过活性粒子的化学反应，在样品表面上，碳-碳以sp3键结合形成金刚石涂层，总的化学反应为：CH4(气)—(热激活)→C(金刚石)+2H2(气)。金刚石涂层沉积在硬质合金刀具表面上可大幅度提高刀具表面的硬度和耐磨性，从而提高刀具寿命。根据产生活化环境的方法不同，CVD金刚石涂层的制备方法可以分为热丝CVD(Hot Filament CVD，简称HFCVD)、电子辅助CVD(EACVD)、微波等离子CVD(MPCVD)等，其中热丝HFCVD具有沉积面积大和沉积均匀性的优点，适用于复杂形状刀具的高装量和高均匀性镀膜。
CVD涂层金刚石磨具，由于晶粒之间的磨削空间较小，在磨削过程中产生的磨削会将磨削空间堵塞从而导致磨削中断，限制了其实际应用。而一些新的技术或者工序复杂，成本高，或者仅适用于连续平面的纯金刚石涂层，无法解决磨削过程中遇到砂轮被磨屑堵塞的问题。
本发明关于多孔金刚石涂层的制备方法中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
本发明的制备方法，依次用碱性溶液和酸性溶液对所述金属基体的表面进行预处理后，通过热丝化学气相沉积，即可在所述金属基体的表面上沉积形成碳化硅复合中间层的同时形成金刚石晶粒，金刚石晶粒之间相互分散，形成了间隙和多孔结构，产生了防止磨屑堵塞的效果，最终解决了磨屑堵塞的问题。
一般金刚石涂层的制备过程中，需要先把纳米金刚石晶种预先植晶吸附在基体表面，本发明的制备方法无需预植晶，进一步降低了成本，简化了操作。
本发明的制备方法，通过调控金刚石晶粒和碳化硅层的生长速率，可以使金刚石晶粒的高度高于碳化硅层，并且在金刚石晶粒之间形成孔洞，孔深和宽度可控，有效防止了磨屑堵塞。具体而言，先是金刚石和碳化硅同时生长，由于金刚石生长速度更快，最终制备得到的涂层中，金刚石高出碳化硅表面，形成凸起。
碳化硅和金刚石同时在金属基体的表面生长，基体界面到顶层表面，碳化物的含量逐渐降低，金刚石的含量逐渐增加至顶层的纯金刚石，使涂层纵向的热膨胀系数形成渐变，将集中在界面的热应力分布到含有碳化硅的过渡层上，能够明显降低涂层的内应力，提高涂层与金属基体的结合力，同时提高金刚石涂层的断裂韧性。
本发明的制备方法，用碱性溶液对金属基体的表面进行预处理，目的是去除表面钴元素、抑制界面有害石墨相生成。
本发明的制备方法，用酸性溶液对金属基体的表面进行预处理，目的是进一步去除表面钴元素、抑制界面有害石墨相生成。
本发明的制备方法，通过调节沉积参数，可以影响金刚石晶粒的生长，包括晶粒取向、晶粒尺寸和涂层厚度，可以控制微米金刚石晶粒尖端高度和宽度，从而调节刀具的磨削性能。
本发明的制备方法，在涂层沉积后能够自然形成多孔结构，无需后续处理，操作简单，成本低。
本发明的制备方法，不仅适用于平面形状工具，同时也适用于复杂形状的微小工具。
本发明的制备方法，通过沉积复合金刚石多孔结构，可以实现微小工具表面的均匀镀膜。
本发明的制备方法，无需昂贵的设备和复杂的过程控制，反应条件不苛刻，原料易得，生产成本低，容易工业化生产。
根据本发明的一些实施方式，所述碱性溶液包括无机碱、铁氰化物和水。
根据本发明的一些实施方式，所述无机碱的质量、铁氰化物的质量和水的体积比为1:1:10～100。
根据本发明的一些实施方式，用碱性溶液对所述金属基体的表面进行预处理的过程中，可以施加超声，超声腐蚀的时间为5min～50min，超声的频率为80Hz～120Hz。
根据本发明的一些实施方式，用碱性溶液对所述金属基体的表面进行预处理后，可以用去离子水对所述金属基体的表面进行清洗，清洗的次数可以为多次，每次清洗的时间可以是10min～20min。
根据本发明的一些实施方式，所述酸性溶液为浓硫酸和双氧水的混合物。
根据本发明的一些实施方式，所述浓硫酸和双氧水的体积比为10:10～100。
根据本发明的一些实施方式，用酸性溶液对所述金属基体的表面进行预处理，时间为5s～60s。
根据本发明的一些实施方式，用酸性溶液对所述金属基体的表面进行预处理后，可以用去离子水对所述金属基体的表面进行清洗，清洗的次数可以为多次，每次清洗的时间可以是10min～20min。清洗后，可以用氮气将金属基体的表面吹干。
根据本发明的一些实施方式，所述热丝化学气相沉积的方法为：调节所述金属基体的表面与热丝的距离，抽真空后，通入混合气体，加热灯丝，在所述金属基体的表面沉积形成碳化硅复合中间层和金刚石晶粒。
根据本发明的一些实施方式，所述热丝化学气相沉积的步骤包括：
(1)将金属基体均匀插入带孔铜盘中，置于热丝化学气相沉积的出气口下，调节金属基体顶端到热丝的距离，之后抽真空；
(2)将(1)抽真空后通入氢气、碳源和硅源，气压保持在1kPa～10kPa；
(3)打开热丝电源，调节灯丝温度，持续生长碳化硅复合中间层和金刚石晶粒；
(4)生长完毕，关闭气体，关闭电源，抽真空。
根据本发明的一些实施方式，所述金属基体的表面与热丝的距离为15mm～30mm。
根据本发明的一些实施方式，所述混合气体包括氢气、碳源和硅源。
根据本发明的一些实施方式，所述碳源包括甲烷。
根据本发明的一些实施方式，所述硅源包括有机硅烷。
根据本发明的一些实施方式，所述有机硅烷包括四甲基硅烷。
根据本发明的一些实施方式，甲烷占总气体体积范围为1％～10％。
根据本发明的一些实施方式，有机硅烷总气体体积范围为0.05％～1％。
根据本发明的一些实施方式，所述加热灯丝至温度为1500℃～2800℃。
根据本发明的一些实施方式，碳化硅复合中间层和金刚石晶粒沉积生长的时间为1h～15h。
本发明的第三方面提供了所述的多孔金刚石涂层或所述方法制备的多孔金刚石涂层在刀具中的应用。
本发明关于多孔金刚石涂层在刀具中的应用中的一个技术方案，至少具有以下有益效果：
本发明的多孔金刚石涂层，用于刀具时，加工质量好，加工精度高，磨损率低，使用寿命长。
本发明的多孔金刚石涂层，所述金属基体表面设有碳化硅复合中间层，所述碳化硅复合中间层中镶嵌有分散的金刚石晶粒。金属基体和涂层的结合强度和热应力有关。制备过程中，涂层生长的温度可以达到八百多摄氏度，当降到室温时，基体和涂层的热膨胀系数不同，因此存在热应力。硬质合金和碳化硅的膨胀系数不同，加入金刚石后，可以调节膨胀系数。具体而言，涂层生长初期，碳化硅多，金刚石少，热膨胀系数偏向于碳化硅；随着涂层的生长，碳化硅减少，金刚石数量越多，体积越大，热膨胀系数偏向于金刚石，最终，膨胀系数变小，多孔金刚石涂层与金属基体的结合力更优。
本发明的多孔金刚石涂层，从金属基体到表面的热膨胀系数呈现逐渐变小的趋势。
本发明的多孔金刚石涂层，不受工具形状的限制，可在任意复杂形状的微型精密工具上实现快速可控沉积，应用范围广，精度高，成本低。
根据本发明的一些实施方式，所述刀具包括磨具、铰刀、拉刀、劈刀或槽刀。
附图说明
图1是多孔金刚石涂层的制备过程示意图。
图2为基体材料YG6所制备的涂层硅烷与可工作时长曲线图。
图3为实例22的涂层表面微观形貌。
图4为实例23的涂层表面微观形貌。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，并结合实施例对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
在本发明的一些实施例中，本发明提供了一种多孔金刚石涂层，包括金属基体，金属基体表面设有碳化硅复合中间层，碳化硅复合中间层中镶嵌有分散的金刚石晶粒。
微型工具通常以硬质合金或高速钢为基体，以金刚石为涂层。超微细加工过程中需要使用较小的切削深度，采用的刀具需要刃口非常锋利和高稳定性。刀具基体材料通常为硬质合金或高速钢，并在其表面镀硬质涂层。金刚石由于其极高的硬度、极高的耐磨性、极高的弹性模量、化学亲和性等优秀的物理化学特性，是超微细加工理想的刀具材料。
可以理解，硬脆材料加工中，一方面，加工工具的硬质涂层如金刚石涂层与基体结合力差，金刚石涂层与刀具基体的结合不足，会直接导致涂层失效和刀具寿命低，是金刚石涂层技术的关键技术问题。本发明针对结合力差的原因，通过在金属基体表面设置碳化硅复合中间层作为过渡中间层结构，在抑制钴扩散的同时降低内应力，提升了硬质涂层与基体的结合力。另一方面，加工工具的硬质涂层，在磨削过程中产生的磨屑易将砂轮堵塞，加工质量差，本发明的多孔金刚石涂层，碳化硅复合中间层中镶嵌有分散的金刚石晶粒，这些相互分散的金刚石晶粒之间形成了间隙和多孔结构，具有防止磨屑堵塞的效果，由此，本发明的多孔金刚石涂层，用于刀具时，加工质量好，加工精度高，磨损率低，使用寿命长。
本发明的多孔金刚石涂层，所述金属基体表面设有碳化硅复合中间层，所述碳化硅复合中间层中镶嵌有分散的金刚石晶粒。金属基体和涂层的结合强度和热应力有关。制备过程中，涂层生长的温度可以达到八百多摄氏度，当降到室温时，基体和涂层的热膨胀系数不同，因此存在热应力。硬质合金和碳化硅的膨胀系数不同，加入金刚石后，可以调节膨胀系数。具体而言，涂层生长初期，碳化硅多，金刚石少，热膨胀系数偏向于碳化硅；随着涂层的生长，碳化硅减少，金刚石数量越多，体积越大，热膨胀系数偏向于金刚石，最终，膨胀系数变小，多孔金刚石涂层与金属基体的结合力更优。
本发明的多孔金刚石涂层，从金属基体到表面的热膨胀系数呈现逐渐变小的趋势。
可以理解，本发明的多孔金刚石涂层，不受工具形状的限制，可在任意复杂形状的微型精密工具上实现快速可控沉积，具有应用范围广、精度高、成本低等优点。
在本发明的一些实施例中，每个金刚石晶粒，一部分埋设在碳化硅复合中间层中，另一部分裸露在碳化硅复合中间层外，形成凸起。
碳化硅复合中间层的作用类似于粘结剂，可以将金刚石晶粒的一部分埋在碳化硅复合中间层中，通过碳化硅复合中间层来提高涂层与基体的结合强度，金刚石晶粒之间形成的孔洞结构可以防止砂轮被磨屑堵塞，最终提高磨具的使用寿命。可以理解，作为磨具而言，为了利于打磨，需要粗糙度大，磨具要求表面有大颗粒，而磨具不像钻头，钻头上有螺纹可以排屑，但磨具没有排屑，如果磨具工作过程中产生的磨屑没有被及时排掉，则很容易划伤被加工工件的表面。而本发明的多孔金刚石涂层，金刚石晶粒之间形成的多孔结构，这些多孔结构为磨具工作过程中产生的磨屑提供了容纳场所，磨具工作过程中产生的磨屑会流到孔洞中，从而保护了被加工工件的表面不被划伤。
对于一般的涂层而言，金刚石晶粒是整体全部埋在镀层或粘结剂中的。而本发明的多孔金刚石涂层中，每个金刚石晶粒，一部分埋设在碳化硅复合中间层中，另一部分裸露在碳化硅复合中间层外，形成凸起。
在本发明的一些实施例中，金刚石晶粒的高度大于碳化硅复合中间层的厚度。
金刚石晶粒尖端的高度和宽度，分别相当于磨粒凸起的高度和宽度，磨粒尺寸和密度会直接影响磨削加工性能。金刚石晶粒的高度大于碳化硅复合中间层的厚度，保证了碳化硅复合中间层表面上具有足够多的磨粒凸起，从而具有更好的磨削效果。
在本发明的一些实施例中，金刚石晶粒的取向垂直于金属基体表面。
在本发明的一些实施例中，金刚石晶粒包括微米级金刚石晶粒和亚微米级金刚石晶粒中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，金属基体包括硬质合金或高速钢。
在本发明的一些实施例中，硬质合金包括YG6、YG8、YG6X和YG6M。
在本发明的一些实施例中，硬质合金包括YG6 4130511、YG6X 4130511、YG84130511和YG6M 4160511。
在本发明的另外一些实施例中，本发明提供了一种制备本发明的多孔金刚石涂层的方法，包括以下步骤：依次用碱性溶液和酸性溶液对金属基体的表面进行预处理后，通过热丝化学气相沉积，在金属基体的表面上沉积形成碳化硅复合中间层和金刚石晶粒。
常用的涂层制备工艺包括聚晶金刚石法(Polycrystalline Diamond，简称PCD)、电镀、化学镀、化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，简称CVD)等。金刚石磨具通常通过电镀或钎焊制成。其中，电镀工具由于缺乏化学键的作用而导致晶粒/基体附着力较弱。钎焊的金刚石由于高温钎焊会导致热损伤。
CVD是通过先驱反应物，在活化环境(热、光、等离子体)下通过分解、原子间的化学反应生成固态薄膜的技术。主要依据甲烷和氢气通过热丝加热可分解成活性的甲基自由基和原子氢，通过活性粒子的化学反应，在样品表面上，碳-碳以sp3键结合形成金刚石涂层，总的化学反应为：CH4(气)—(热激活)→C(金刚石)+2H2(气)。金刚石涂层沉积在硬质合金刀具表面上可大幅度提高刀具表面的硬度和耐磨性，从而提高刀具寿命。根据产生活化环境的方法不同，CVD金刚石涂层的制备方法可以分为热丝CVD(Hot Filament CVD，简称HFCVD)、电子辅助CVD(EACVD)、微波等离子CVD(MPCVD)等，其中热丝HFCVD具有沉积面积大和沉积均匀性的优点，适用于复杂形状刀具的高装量和高均匀性镀膜。
CVD涂层金刚石磨具，由于晶粒之间的磨削空间较小，在磨削过程中产生的磨削会将磨削空间堵塞从而导致磨削中断，限制了其实际应用。而一些新的技术或者工序复杂，成本高，或者仅适用于连续平面的纯金刚石涂层，无法解决磨削过程中遇到砂轮被磨屑堵塞的问题。
可以理解，本发明的制备方法，依次用碱性溶液和酸性溶液对金属基体的表面进行预处理后，通过热丝化学气相沉积，即可在金属基体的表面上沉积形成碳化硅复合中间层的同时形成金刚石晶粒，金刚石晶粒之间相互分散，形成了间隙和多孔结构，产生了防止磨屑堵塞的效果，最终解决了磨屑堵塞的问题。
一般金刚石涂层的制备过程中，需要先把纳米金刚石晶种预先植晶吸附在基体表面，本发明的制备方法无需预植晶，进一步降低了成本，简化了操作。
本发明的制备方法，通过调控金刚石晶粒和碳化硅层的生长速率，可以使金刚石晶粒的高度高于碳化硅层，并且在金刚石晶粒之间形成孔洞，孔深和宽度可控，有效防止了磨屑堵塞。具体而言，先是金刚石和碳化硅同时生长，由于金刚石生长速度更快，最终制备得到的涂层中，金刚石高出碳化硅表面，形成凸起。
碳化硅和金刚石同时在金属基体的表面生长，基体界面到顶层表面，碳化物的含量逐渐降低，金刚石的含量逐渐增加至顶层的纯金刚石，使涂层纵向的热膨胀系数形成渐变，将集中在界面的热应力分布到含有碳化硅的过渡层上，能够明显降低涂层的内应力，提高涂层与金属基体的结合力，同时提高金刚石涂层的断裂韧性。
本发明的多孔金刚石涂层的方法，包括以下步骤：依次用碱性溶液和酸性溶液对金属基体的表面进行预处理后，通过热丝化学气相沉积，在金属基体的表面上沉积形成碳化硅复合中间层和金刚石晶粒。
结合图1可以更好的理解本发明多孔金刚石涂层的制备过程，金属基体硬质合金的表面具有钴1和碳化钨2，依次用碱性溶液和酸性溶液对金属基体的表面进行预处理后，通过热丝化学气相沉积，在金属基体的表面上同时沉积形成碳化硅复合中间层3和金刚石晶粒4。
通过调节沉积参数，可以影响金刚石晶粒4的生长，包括晶粒取向、晶粒尺寸和涂层厚度，可以控制微米金刚石晶粒尖端高度和宽度，从而调节刀具的磨削性能。相互分散的金刚石晶粒4之间能够自然形成多孔结构，无需后续处理，操作简单，成本低。
本发明的制备方法，不仅适用于平面形状工具，同时也适用于复杂形状的微小工具。
本发明的制备方法，通过沉积复合金刚石多孔结构，可以实现微小工具表面的均匀镀膜。
本发明的制备方法，无需昂贵的设备和复杂的过程控制，反应条件不苛刻，原料易得，生产成本低，容易工业化生产。
在本发明的一些实施例中，碱性溶液包括无机碱、铁氰化物和水。
在本发明的一些实施例中，无机碱的质量、铁氰化物的质量和水的体积比为1:1:10～100。
在本发明的一些实施例中，用碱性溶液对金属基体的表面进行预处理的过程中，可以施加超声，超声腐蚀的时间为5min～50min，超声的频率为80Hz～120Hz。
在本发明的一些实施例中，用碱性溶液对金属基体的表面进行预处理后，可以用去离子水对金属基体的表面进行清洗，清洗的次数可以为多次。
在本发明的一些实施例中，酸性溶液为浓硫酸和双氧水的混合物。
在本发明的一些实施例中，浓硫酸和双氧水的体积比为10:10～100。
在本发明的一些实施例中，用酸性溶液对金属基体的表面进行预处理，时间为5s～60s。
在本发明的一些实施例中，用酸性溶液对金属基体的表面进行预处理后，可以用去离子水对金属基体的表面进行清洗，清洗的次数可以为多次。清洗后，可以用氮气将金属基体的表面吹干。
在本发明的一些实施例中，热丝化学气相沉积的方法为：调节金属基体的表面与热丝的距离，抽真空后，通入混合气体，加热灯丝，在金属基体的表面沉积形成碳化硅复合中间层和金刚石晶粒。
在本发明的一些实施例中，热丝化学气相沉积的步骤包括：
(1)将金属基体均匀插入带孔铜盘中，置于热丝化学气相沉积的出气口下，调节金属基体顶端到热丝的距离，之后抽真空；
(2)将(1)抽真空后通入氢气、甲烷和有机硅烷(四甲基硅烷或硅烷)，气压保持在1kPa～10kPa；
(3)打开热丝电源，调节灯丝温度，持续生长碳化硅复合中间层和金刚石晶粒；
(4)生长完毕，关闭气体，关闭电源，抽真空。
在本发明的一些实施例中，金属基体的表面与热丝的距离为15mm～30mm。
在本发明的一些实施例中，合气体包括氢气、甲烷和有机硅烷。
在本发明的一些实施例中，甲烷占总气体体积范围为1％～10％。
在本发明的一些实施例中，有机硅烷总气体体积范围为0.05％～1％。
在本发明的一些实施例中，加热灯丝至温度为1500℃～2800℃。
在本发明的一些实施例中，碳化硅复合中间层和金刚石晶粒沉积生长的时间为1h～15h。
在本发明的另外一些实施例中，本发明提供了本发明的多孔金刚石涂层或方法制备的多孔金刚石涂层在刀具中的应用。
可以理解，本发明的多孔金刚石涂层，用于刀具时，加工质量好，加工精度高，磨损率低，使用寿命长。
本发明的多孔金刚石涂层，不受工具形状的限制，可在任意复杂形状的微型精密工具上实现快速可控沉积，应用范围广，精度高，成本低。
在本发明的一些实施例中，刀具包括磨具、铰刀、拉刀、劈刀或槽刀。
下面再结合具体的实施例来更好的理解本发明的技术方案。
本发明通过在基体和金刚石涂层之间添加碳化硅复合中间层，碳化硅类似于粘结剂一样，将金刚石晶粒的一部分埋在碳化硅层中，从而提高涂层与基体的结合强度。具体而言，制备开始时，金刚石和碳化硅同时生长，然而，由于金刚石的生长速度更快，最终制备得到的涂层中，金刚石高出碳化硅表面，形成凸起。并且在金刚石晶粒之间形成孔洞，孔深和宽度可控，有效防止了磨屑堵塞。
下面表1中实例1-20为在几种不同的基体材料表面进行涂层制备，分为添加中间层和不添加中间层，以及不同硅烷含量，对它们的工作时长进行了对比。
具体制备步骤如下：
1、首先对硬质合金精密磨具进行化学预处理；将硬质合金精密磨具工作区域浸没在混合碱溶液(K3Fe(CN)6∶KOH∶H2O＝1:1:10)中，在超声池中超声(100Hz)腐蚀15min。之后将硬质合金精密磨具取出用去离子水超声清洗3次，每次10min。清洗完毕后，制备混合酸溶液(浓硫酸和双氧水的混合物)，称量10mL的浓硫酸溶液，100mL的过氧化氢溶液，将两者混合充分。将清洗好的硬质合金精密磨具放入混合酸溶液中腐蚀30s后取出放入去离子水中超声清洗3次，每次10min。清洗完毕后用氮气将其吹干。
2、将硬质合金微型磨具均匀插入带孔铜盘中，置于热丝化学气相沉积的出气口下，调节硬质合金精密磨具顶端到热丝的距离为15mm，之后抽真空。通入氢气、甲烷和四甲基硅烷(1％四甲基硅烷，99％氢气)，气流量分别为800sccm、16sccm，气压保持在3kPa。打开热丝电源，灯丝温度为2200℃，先生长2h，再将四甲基硅烷关闭继续生长5h。
表1有无中间层以及硅烷含量变化对比
从上表可以看到，在四种基体材料所制备的涂层，可工作时长都呈现相同规律：添加了碳化硅复合中间层的磨具比没有添加碳化硅复合中间层的磨具可工作时长得到了明显的提高，并且同一种基体材料，随着四甲基硅烷的含量的增加，磨具可工作时长也随之增加，参见图2所示，图2为基体材料YG6所制备的涂层硅烷与可工作时长曲线图。这表明本发明所采用的碳化硅复合中间层可以有效增加金刚石涂层的结合力，增加磨具工作时长。
需要说明的是，“工作时长”是指磨具从开始加工起，至加工质量变差，加工过的位置表面出现裂纹为止的时间。
本发明方法可实现在不同硬质合金基体材料表面生长金刚石涂层，并且通过调节生长温度(丝底距)，甲烷含量，硅烷含量，气压以及生长时间等条件实现金刚石涂层的可控生长，获得不同厚度，不同晶粒大小的金刚石涂层。
实例变量参数以及涂层生长情况如表2所示，其他参数保持一致。具体步骤如下：
1、首先对硬质合金精密磨具进行化学预处理；将硬质合金精密磨具工作区域浸没在混合碱溶液(K3Fe(CN)6∶KOH∶H2O＝1:1:20)中，在超声池中超声(100Hz)腐蚀15min。之后将硬质合金精密磨具取出用去离子水超声清洗3次，每次10min。清洗完毕后，制备混合酸溶液(浓硫酸和双氧水的混合物)，称量10mL的浓硫酸溶液，100mL的过氧化氢溶液，将两者混合充分。将清洗好的硬质合金精密磨具放入混合酸溶液中腐蚀30s后取出放入去离子水中超声清洗3次，每次10min。清洗完毕后用氮气将其吹干。
2、将硬质合金微型磨具均匀插入带孔铜盘中，置于热丝化学气相沉积的出气口下，抽真空。设置不同的生长温度和气压。抽真空后通入氢气、甲烷以及硅烷，并控制调节甲烷和硅烷含量百分比。打开热丝电源，打开热丝电源,先在通入四甲基硅烷的情况下生长2h，再将四甲基硅烷关闭继续生长不同时间。待生长完毕，关闭气体，关闭电源，抽真空。
表2不同生长参数以及涂层生长情况
从表2中可以看到，本发明方法可以实现在不同硬质合金基体材料表面生长不同厚度以及不同晶粒尺寸的金刚石涂层。图3、图4分别为实例22和实例23的涂层表面形貌，可以看到，在磨具表面都成功沉积上了对应的金刚石涂层，并且涂层为多孔复合结构，可解决磨屑堵塞的问题。
上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (18)

1.一种多孔金刚石涂层，其特征在于，包括金属基体，所述金属基体表面设有碳化硅复合中间层，所述碳化硅复合中间层中镶嵌有分散的金刚石晶粒。
2.根据权利要求1所述的多孔金刚石涂层，其特征在于，每个所述金刚石晶粒，一部分埋设在所述碳化硅复合中间层中，另一部分裸露在所述碳化硅复合中间层外，形成凸起。
3.根据权利要求1所述的多孔金刚石涂层，其特征在于，所述金刚石晶粒的高度大于所述碳化硅复合中间层的厚度。
4.根据权利要求1所述的多孔金刚石涂层，其特征在于，所述金刚石晶粒的取向垂直于所述金属基体表面。
5.根据权利要求1至4任一项所述的多孔金刚石涂层，其特征在于，所述金刚石晶粒包括微米级金刚石晶粒和亚微米级金刚石晶粒中的至少一种。
6.根据权利要求1至4任一项所述的多孔金刚石涂层，其特征在于，所述金属基体包括硬质合金或高速钢。
7.一种制备如权利要求1至6任一项所述的多孔金刚石涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：依次用碱性溶液和酸性溶液对所述金属基体的表面进行预处理后，通过热丝化学气相沉积，在所述金属基体的表面上沉积形成所述碳化硅复合中间层和所述金刚石晶粒。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述碱性溶液包括无机碱、铁氰化物和水。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述无机碱的质量、铁氰化物的质量和水的体积比为1:1:10～100。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述酸性溶液为浓硫酸和双氧水的混合物。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述浓硫酸和双氧水的体积比为10:10～100。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述热丝化学气相沉积的方法为：调节所述金属基体的表面与热丝的距离，抽真空后，通入混合气体，加热灯丝，在所述金属基体的表面沉积形成碳化硅复合中间层和金刚石晶粒。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述金属基体的表面与热丝的距离为15mm～30mm。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述混合气体包括氢气、甲烷和有机硅烷。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述加热灯丝至温度为1500℃～2800℃。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，碳化硅复合中间层和金刚石晶粒沉积生长的时间为1h～15h。
17.如权利要求1至6任一项所述的多孔金刚石涂层或如权利要求7至16任一项所述方法制备的多孔金刚石涂层在刀具中的应用。
18.根据权利要求17所述的应用，其特征在于，所述刀具包括磨具、铰刀、拉刀、劈刀或槽刀。
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