[发明专利]一种具有金刚石薄膜的硬质合金及其制备方法和应用

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。本发明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，本发明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。