雷淑梅,匡同春,尹詩衡,陳麗鳳,曾小平,朱 斌

(華南理工大學(xué)分析測試中心,廣東 廣州 510640)

YG6硬質(zhì)合金表面火焰法沉積納米復(fù)合碳涂層＊

雷淑梅,匡同春,尹詩衡,陳麗鳳,曾小平,朱 斌

(華南理工大學(xué)分析測試中心,廣東 廣州 510640)

采用火焰法在拋光的 YG6硬質(zhì)合金表面沉積碳涂層,用掃描電鏡、X射線衍射及顯微激光拉曼光譜等分析手段對其形態(tài)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征.結(jié)果表明,在火焰內(nèi)焰長度為50 mm、基體離火焰噴嘴距離為30 mm、沉積溫度約850℃、沉積時(shí)間為1 h的工藝條件下,可制備出納米類球狀金剛石聚晶和類金剛石復(fù)合碳涂層.

YG6硬質(zhì)合金;火焰法;金剛石聚晶;復(fù)合碳涂層

刀具涂層技術(shù)自問世以來,對刀具性能的改善及加工技術(shù)的進(jìn)步起著十分重要的作用,在刀具中涂層刀具所占的比例已超過50%.以硬質(zhì)合金為基體的金剛石涂層刀具,能有效地解決傳統(tǒng)刀具材料硬度與韌性之間的矛盾,其具有硬度高、抗沖擊性能好、刀具壽命長、刀具形狀隨意及成本相對低廉等優(yōu)點(diǎn).金剛石薄膜涂層可以顯著延長硬質(zhì)合金刀具的使用壽命,提高刀具的加工性能,具有廣闊的應(yīng)用市場.此外,隨著納米級超薄、超多層涂層及新型涂層材料的開發(fā)及應(yīng)用速度的加快,涂層技術(shù)將成為改善刀具性能的主要途徑.高性能碳涂層主要有兩方面的應(yīng)用,一類是作為工模具表面涂層材料,一類是作為功能薄膜材料[1-2].制備工模具表面涂層材料的工藝,其應(yīng)具有沉積速率高、成本低及工藝簡單可靠等優(yōu)點(diǎn).燃燒火焰法具有設(shè)備簡單,尤其是沉積碳涂層材料不需要真空容器,沉積速度快,可在大氣中進(jìn)行,基底尺寸及沉積面積基本上不受限制等優(yōu)點(diǎn).本文采用氧乙炔火焰法,在 YG6硬質(zhì)合金表面制備出納米類球狀金剛石聚晶和類金剛石復(fù)合碳涂層.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試 樣

試樣以市售的型號為C116的YG6硬質(zhì)合金刀片為基體,其成分為WC-6Co.首先試樣依次經(jīng)260號、400號、600號和1000號金剛石磨盤研磨,然后用W 2.5金剛石微粉高效拋光劑、少絨毛織物拋光布拋光,最后用無水乙醇清洗吹干備用.

1.2 方 法

將待沉積試樣 YG6硬質(zhì)合金刀片置于銅制冷卻臺上,用單噴嘴工業(yè)用焊鉅進(jìn)行噴涂,其中噴嘴口徑為1.6 mm,氧氣和乙炔通過射吸管預(yù)混噴出,形成具有焰芯、內(nèi)焰、外焰明顯的氧乙炔碳化焰,氧氣出口分壓控制在0.5 M Pa,乙炔氣體出口分壓控制在0.025 M Pa,以內(nèi)焰長短來調(diào)節(jié)氣體的流量,基體大約放置在內(nèi)焰的中間位置.由于硬質(zhì)合金耐高溫,沉積時(shí)間長,調(diào)節(jié)內(nèi)焰長度為50 mm,基體離噴嘴的距離為30 mm,沉積溫度約850℃,沉積時(shí)間為1 h.

用 XL30FEG型掃描電鏡和D/Max-ⅢA型X-射線衍射儀,分別對硬質(zhì)合金預(yù)處理前后的基體表面及沉積物的形貌、結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察和物相分析(XRD分析);用Renishaw 2000型顯微激光拉曼光譜儀,在以氬離子為激發(fā)光源、激發(fā)光波長為514.5 nm、光斑大小為2μm、測試功率為3.5 mW、連續(xù)掃描時(shí)間為 20 s、累計(jì)掃描次數(shù) 2次及掃描范圍1000～2000 cm-1的條件下,對基體表面火焰沉積物進(jìn)行拉曼(Raman)相組成分析,所收集的拉曼光譜不經(jīng)平滑處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微形貌

圖1為 YG6硬質(zhì)合金基體拋光態(tài)表面及沉積產(chǎn)物的顯微形貌圖.從圖1(a)可見:基體表面較平整,WC顆粒呈多邊形塊狀且大小不一,其明顯外露,部分區(qū)域有少量粒子脫落;作為粘結(jié)劑的Co相分布較均勻,呈凹陷狀.從圖1(b)可見,硬質(zhì)合金表面沉積產(chǎn)物為類球狀顆粒,平均直徑為4～6μm,將類球狀顆粒放大到20000倍后可清晰看到,類球狀顆粒又由幾十到幾百納米顆粒聚集而成.

2.2 XRD分析

圖2為拋光態(tài) YG6基體和 YG6硬質(zhì)合金表面火焰法沉積產(chǎn)物的XRD譜圖.從圖2可見:YG6硬質(zhì)合金的主要物相為WC和Co,圖中三個(gè)最強(qiáng)的衍射峰分別對應(yīng)為 WC的(001),(100)和(101)面的衍射峰,其余的衍射峰較弱且與金剛石的衍射峰接近;YG6硬質(zhì)合金表面沉積產(chǎn)物的主要物相為WC、金剛石和少量η相Co6W6C,在44.6°處有一個(gè)明顯的金剛石(111)面的特征峰,說明火焰法沉積產(chǎn)物由金剛石顆粒組成,譜圖中η相Co6W6C的衍射峰也非常明顯,這是由于 YG6硬質(zhì)合金未經(jīng)化學(xué)酸蝕脫鈷預(yù)處理,在火焰沉積過程中,在高溫作用下硬質(zhì)合金表層發(fā)生了反應(yīng),從而形成了η相Co6W6C.

圖1 YG6硬質(zhì)合金基體表面及沉積產(chǎn)物的顯微形貌圖(a)合金基體;(b)沉積產(chǎn)物Fig.1 SEM images of YG6 cemented carbide substrate surface and deposited p roduct(a)alloy matrix;(b)deposited p roduct

圖2 YG6硬質(zhì)合金基體表面及沉積產(chǎn)物的XRD譜圖Fig.2 XRD spectrogram of YG6 cemented carbide substrate surface and deposited p roduct

2.3 拉曼光譜分析

通常用Raman光譜分析化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜的組成及結(jié)構(gòu),這主要是因?yàn)槭捌渌哂衧p2雜化的無序碳的Raman散射效應(yīng)非常明顯,并且金剛石及其相關(guān)物也具有較強(qiáng)的容易被區(qū)分的Raman峰,激光拉曼光譜是表征金剛石的一種有效手段.天然金剛石或高溫高壓技術(shù)合成的單晶金剛石的Raman特征峰均在波數(shù)為1332 cm-1處且為一尖銳單峰,對應(yīng)的是Oh點(diǎn)群的 T2g三重簡并振動模式,該峰的半高寬 FW HM值一般為2～3 cm-1,而非金剛石基體表面沉積的連續(xù)CVD金剛石膜的FW HM值一般在5～25 cm-1范圍內(nèi)變化.

圖3為 YG6硬質(zhì)合金火焰沉積產(chǎn)物的Raman譜圖.從圖3可見:在1333 cm-1處明顯地出現(xiàn)了拉

圖3 沉積碳產(chǎn)物的Raman譜圖Fig.3 Raman spectrogram of deposited carbon coating

曼特征峰,此峰為金剛石特征峰,其半高寬 FW HM值為12 cm-1左右;在1145 cm-1附近還出現(xiàn)散射峰,該峰為納米金剛石微晶sp3雜化結(jié)構(gòu)的拉曼特征峰[3-4];在1350 cm-1和1555 cm-1附近的展寬峰,是典型的類金剛石碳膜DLC(Dimoand like Carbon)的拉曼譜峰,其中1555 cm-1處的峰對應(yīng) G帶,與石墨晶體光學(xué)上的 E2g區(qū)域相關(guān)聯(lián),而在 1350 cm-1處的峰對應(yīng)D帶,是無序碳等共有的特征[5-7].經(jīng)Raman光譜分析可知,在研磨拋光的 YG6硬質(zhì)合金表面沉積的灰黑色產(chǎn)物,主要是由金剛石和類金剛石碳復(fù)合形成的碳產(chǎn)物.

3 結(jié) 論

YG6硬質(zhì)合金表面經(jīng)研磨拋光處理后,采用氧乙炔預(yù)混火焰法,在火焰內(nèi)焰長度為50 mm、基體離火焰噴嘴距離為30 mm、沉積溫度約850℃、沉積時(shí)間為1 h的條件下,在 YG6硬質(zhì)合金表面可制備出類球狀納米金剛石聚晶和類金剛石復(fù)合碳涂層.物相分析還證實(shí),沉積物及硬質(zhì)合金表層中有η相Co6W6C存在.

[1]于啟勛,張京英.刀具涂層技術(shù)的進(jìn)展和應(yīng)用[J].航空制造技術(shù),2007(7):1-4.

[2]張文毓.硬質(zhì)合金涂層刀具研究進(jìn)展[J].稀有金屬與硬質(zhì)合金,2008(3):59-63.

[3]MA Y P,SUN F H,XUE H G,et al.Deposition and characterization of nanocrystalline diamond film s on Cocemented tungsten carbide inserts[J].Diamond and Related Materials,2007,16:481-485.

[4]ASKARISJ,A KHTAR F,CHEN G C,et al.Synthesis and characterization of nanocrystalline CVD diamond film on pure titanium using A r/CH4/H2gas mixture[J].Materials Letters,2007,61:2139-2142.

[5]梁風(fēng),嚴(yán)學(xué)儉.類金剛石薄膜的性質(zhì)、應(yīng)用及制備[J].物理學(xué)報(bào),1999,48(6):1095-1098.

[6]RAMAMURTIR,SHANOV V,SINGH R N,et al.Raman spectroscopy study of the influence of p rocessing conditions on the structure of polycrystalline diamond film s[J].Journal of Vacuum Science&Technology,2006,24(2):179-189.

[7]滿衛(wèi)東,汪建華,王傳新,等.金剛石薄膜的性質(zhì)、制備及應(yīng)用[J].新型炭材料,2002,17(1):62-70.

Study on nano-composite carbon coating deposited on YG6 cemented carbide by combustion flame method

LEIShu-mei,KUANG Tong-chun,YIN Shi-heng,CHEN Li-feng,ZENG Xiao-ping,ZHU Bin
(Analytical and Testing Center,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

In this paper,combustion flamemethod was used to deposit carbon coatingson polished YG6 cemented carbide surface.The morphology and structure of the coatings were rep resented by scanning electron microscope(SEM),X-ray diffraction(XRD)and micro-Raman scattering spectroscopy(Raman)respectively.The results showed that nano-scale globe-like diamond microcrystalline aggregates and diamond like carbon composite coating could be formed on YG6 cemented carbide surface on the conditions that the deposit time was 1 hour at the temperature of 850℃,and the distance between YG6 substrate and the nozzle was 30mm w hile the inner flame length was 50mm.

YG6 cemented carbide;combustion flame method;diamond microcrystalline aggregate;carbon composite coating

TB333

A

1673-9981(2011)01-0024-03

2010-10-15

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目 (2008B01060033);國家自然科學(xué)基金(50971062/E011002)

雷淑梅(1970—),女,湖南衡陽人,高級工程師.