一种具有金刚石薄膜的硬质合金及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种具有金刚石薄膜的硬质合金，包括硬质合金基体以及沉积在所述硬质合金基体表面的金刚石薄膜，所述金刚石薄膜中掺杂有稀土金属氧化物和稀土金属单质。稀土金属氧化物和稀土金属单质提高了金刚石形核密度，从而增加了金刚石薄膜与硬质合金基体的结合力，同时提高金刚石薄膜的光滑度，降低了金刚石薄膜表面的摩擦系数，扩大了硬质合金的使用范围，并提高了硬质合金的使用寿命。本发明专利技术还提供了一种具有金刚石薄膜的硬质合金的制备方法和应用。

Cemented carbide with diamond film and preparation method and application thereof

The present invention provides a hard alloy with a diamond film, including a cemented carbide matrix and a diamond film deposited on the surface of the cemented carbide substrate. The diamond film is doped with rare earth metal oxides and rare earth metals. The rare-earth metal oxide and the rare earth metal monomer increase the diamond nucleation density, thus increase the bonding force of the diamond film and the cemented carbide matrix, increase the smoothness of the diamond film, reduce the friction coefficient on the surface of the diamond film, expand the use range of the hard alloy, and improve the hard alloy. Service life\u3002 The invention also provides a preparation method and application of a cemented carbide with diamond film.

【技术实现步骤摘要】
一种具有金刚石薄膜的硬质合金及其制备方法和应用
本专利技术涉及金刚石薄膜制备领域，特别是涉及一种具有金刚石薄膜的硬质合金及其制备方法和应用。
技术介绍
硬质合金具有硬度高、耐磨、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，被广泛用作刀具材料，包括车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。为了进一步提高硬质合金的耐磨性以及延长使用寿命，利用物理气相沉积或者化学气相沉积在硬质合金表面沉积金刚石薄膜。然而，金刚石薄膜与硬质合金的热膨胀系数相差较大，导致金刚石薄膜与硬质合金的结合力差。除此之外，用于切削工艺中的硬质合金刀具需要保证切削后的表面平整光洁，这就要使得沉积在硬质合金上的金刚石薄膜具有极高的平整度或光滑度，即需要金刚石薄膜的摩擦系数低。目前，已经许多研究报道提高金刚石薄膜与硬质合金间的结合力以及降低金刚石薄膜的摩擦系数，例如化学多步浸蚀法、金刚石微粉镶嵌、荷能离子轰击、等离子体刻蚀、氧化处理、碳氮共渗、渗硼、钴的化学替代和钝化、激光辐照、水射流、制备中间过渡层等。然而，目前采用的方法中使用的研磨、腐蚀、刻蚀、氧化等预处理方法都会破坏硬质合金衬底光滑平整的表面，并产生大量的表面缺陷，难以保证金刚石薄膜表面的平整度；同时，渗硼、渗氮等方法无法防止沉积过程中钴向表面扩散，从而影响表面的平整度以及金刚石薄膜的成核密度；此外，制备中间层的方法对于基体与中间层的晶格相称性和热力学匹配性要求严格，控制环节多，过程复杂，对设备条件要求较高，不易于实现产业化。因此，如何在提高金刚石薄膜与硬质合金间的结合力，同时又降低金刚石薄膜的摩擦系数是亟需解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种具有金刚石薄膜的硬质合金，包括硬质合金基体以及沉积在所述硬质合金基体表面的金刚石薄膜，所述金刚石薄膜中掺杂有稀土金属氧化物和稀土金属单质，从而使得金刚石薄膜与硬质合金基体间的结合力增加，同时降低了金刚石薄膜表面的摩擦系数，扩大了硬质合金的使用范围，并提高了硬质合金的使用寿命。本专利技术还提供了一种具有金刚石薄膜的硬质合金的制备方法和应用。第一方面，本专利技术提供了一种具有金刚石薄膜的硬质合金，包括硬质合金基体以及沉积在所述硬质合金基体表面的金刚石薄膜，所述金刚石薄膜中掺杂有稀土金属氧化物和稀土金属单质。可选的，所述稀土金属氧化物中的稀土金属元素包括钇、铈、镧中的一种或多种，所述稀土金属单质包括钇、铈、镧中的一种或多种。进一步可选的，所述稀土金属氧化物和稀土金属单质中的稀土金属元素为同一种稀土金属元素。可选的，所述金刚石薄膜中稀土金属元素的质量含量为0.5％-3.0％。进一步可选的，所述金刚石薄膜中稀土金属元素的质量含量为0.8％-2.5％。更进一步可选的，所述金刚石薄膜中稀土金属元素的质量含量为1.3％-2.1％。所述稀土金属元素的质量含量包含了所述稀土金属氧化物中的稀土金属元素含量和所述稀土金属单质中的稀土金属元素含量。可选的，所述金刚石薄膜的厚度为4μm-8μm。进一步可选的，所述金刚石薄膜的厚度为5μm-7μm。具体的，所述金刚石薄膜的厚度可以但不限定为5μm、5.7μm、6.2μm、6.5μm、7μm，所述金刚石薄膜的厚度根据所述硬质合金基体的具体用途进行设定。可选的，所述稀土金属氧化物分布在靠近所述硬质合金基体一侧的所述金刚石薄膜中，所述稀土金属单质分布在整个所述金刚石薄膜中。进一步可选的，所述稀土金属氧化物分布在靠近所述硬质合金基体一侧的所述金刚石薄膜中，且分布有所述稀土金属氧化物的所述金刚石薄膜的厚度为5nm-30nm，更进一步的为8nm-15nm。具体的，所述稀土金属氧化物分布在金刚石薄膜中靠近硬质合金基体的一侧，在远离硬质合金基体一侧的金刚石薄膜中没有分布稀土金属氧化物。所述稀土金属单质分布在整个所述金刚石薄膜中，且在远离所述硬质合金基体一侧的所述金刚石薄膜中呈均匀分布。在本专利技术中，利用摩擦系数测定仪测定具有金刚石薄膜的硬质合金表面的摩擦系数为0.03-0.06。利用洛氏压痕法测定所述金刚石薄膜与所述硬质合金基体的结合力为400N-1000N。利用扫描电镜测定所述金刚石薄膜中金刚石的形核密度为(5-10)×1010个/cm2。本专利技术提供的一种具有金刚石薄膜的硬质合金中金刚石薄膜与硬质合金基体间的结合力提高，同时降低了金刚石薄膜表面的摩擦系数，扩大了硬质合金的使用范围，并提高了硬质合金的使用寿命。第二方面，本专利技术提供了一种具有金刚石薄膜的硬质合金的制备方法，包括：提供硬质合金基体，对所述硬质合金基体进行预处理；将预处理后的所述硬质合金基体置于含稀土金属氧化物和金刚石粉的悬浊液中，进行植晶操作，使所述硬质合金基体表面吸附一层所述稀土金属氧化物和所述金刚石粉；在吸附有所述稀土金属氧化物和所述金刚石粉的所述硬质合金基体的表面沉积金刚石薄膜，得到具有金刚石薄膜的硬质合金，所述沉积过程中，通入的气源包括稀土金属氟化物，所述稀土金属氟化物在沉积过程中转变成稀土金属单质，所述金刚石薄膜中掺杂有所述稀土金属氧化物和所述稀土金属单质。可选的，所述硬质合金基体进行预处理包括对所述硬质合金基体进行清洗、干燥和腐蚀处理。具体的，所述清洗、干燥处理可以但不限于为将硬质合金基体在去离子水中超声清洗后在丙酮中超声清洗，再静止干燥即可。所述腐蚀处理为将所述硬质合金基体在碱溶液中腐蚀，再置于酸溶液中腐蚀即可。所述碱溶液和所述酸溶液可以根据实际需要进行选择。可选的，所述碱溶液为铁氰化钾与氢氧化钾的混合液，所述酸溶液为硫酸和过氧化氢的混合液。可选的，所述稀土金属氧化物中的稀土金属元素包括钇、铈、镧中的一种或多种，所述稀土金属单质包括钇、铈、镧中的一种或多种。进一步可选的，所述稀土金属氧化物和稀土金属单质中的稀土金属元素为同一种稀土金属元素。可选的，所述金刚石粉的粒径为5.0nm-10nm。进一步可选的，所述金刚石粉的粒径为5.0nm-8.0nm。具体的，所述金刚石粉的粒径可以为5.0nm、5.8nm、6.3nm、7.5nm或8.0nm等。所述金刚石粉可以为纳米金刚石粉、爆轰纳米金刚石粉等，具体的可以根据实际需要进行选择，在此不作限定。可选的，所述稀土金属氧化物和金刚石粉分散于水中，通过酸或碱进行调节pH，形成所述悬浊液。进一步可选的，所述悬浊液的pH为5-10。可选的，所述悬浊液中所述金刚石粉的质量浓度为0.003％-0.01％，所述悬浊液中所述稀土金属氧化物的质量浓度为0.01％-0.1％。进一步可选的，所述悬浊液中所述金刚石粉的质量浓度为0.005％-0.01％，所述悬浊液中所述稀土金属氧化物的质量浓度为0.03％-0.06％。更进一步可选的，所述悬浊液中所述金刚石粉的质量浓度为0.005％，所述悬浊液中所述稀土金属氧化物的质量浓度为0.05％。可选的，所述植晶操作包括在功率2kW-8kW下超声处理15min-45min。进一步可选的，所述植晶操作包括在功率3kW-7kW下超声处理20min-45min。更进一步可选的，所述植晶操作包括在功率4kW下超声处理30min。具体的，将所述硬质合金置于含稀土金属氧化物和金刚石粉的悬浊液中进行超声处理，即为植本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有金刚石薄膜的硬质合金，其特征在于，包括硬质合金基体以及沉积在所述硬质合金基体表面的金刚石薄膜，所述金刚石薄膜中掺杂有稀土金属氧化物和稀土金属单质。

【技术特征摘要】
1.一种具有金刚石薄膜的硬质合金，其特征在于，包括硬质合金基体以及沉积在所述硬质合金基体表面的金刚石薄膜，所述金刚石薄膜中掺杂有稀土金属氧化物和稀土金属单质。2.如权利要求1所述的具有金刚石薄膜的硬质合金，其特征在于，所述稀土金属氧化物中的稀土金属元素包括钇、铈、镧中的一种或多种，所述稀土金属单质包括钇、铈、镧中的一种或多种。3.如权利要求1所述的具有金刚石薄膜的硬质合金，其特征在于，所述金刚石薄膜中稀土金属元素的质量含量为0.5％-3.0％。4.如权利要求1所述的具有金刚石薄膜的硬质合金，其特征在于，所述金刚石薄膜的厚度为4μm-8μm。5.如权利要求1所述的具有金刚石薄膜的硬质合金，其特征在于，所述稀土金属氧化物分布在靠近所述硬质合金基体一侧的所述金刚石薄膜中，所述稀土金属单质分布在整个所述金刚石薄膜中。6.一种具有金刚石薄膜的硬质合金的制备方法，其特征在于，包括：提供硬质合金基体，对所述硬质合金基体进行预处理；将预处理后的所述硬质合金基体置于含稀土金属氧化物和金刚石粉的悬浊液中，进行植晶操作，使所...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，李星星，黄磊，王陶，杨扬，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44