[发明专利]一种金刚石表面镀硼掺杂金属碳化物的方法

说明书

本发明公开了一种金刚石表面镀硼掺杂金属碳化物的方法。该方法将金刚石与金属粉末、硼粉、无机盐粉末均匀混合，在惰性气氛中，800～1500℃恒温0.5～6小时的条件下，使金刚石表面镀上硼掺杂金属碳化物膜。本发明所制得的硼掺杂金属碳化物镀层可以有效地抑制金刚石在高温空气中的氧化，还可以提高金刚石复合片中金刚石和金属基体的界面结合能力。该种涂覆有硼掺杂金属碳化物的金刚石不仅可以应用于钻头、锯片、砂轮等切割和抛光工具中，还可以应用于电子设备的散热元件中。

技术领域

本发明涉及一种金刚石表面镀硼掺杂金属碳化物的方法。

背景技术

金刚石因其超高的硬度和优异的导热性能，被看作是一种优秀的增强相添加至复合材料中，被广泛地应用于钻头、砂轮等磨削工具以及电子散热原件中。一般来说金刚石工具的制造及使用过程中都涉及高温。然而，金刚石在空气中的氧化温度约为700℃，当在空气中超过该氧化温度，金刚石的力学性能会极大降低，这限制了金刚石在氧化环境下的广泛应用。因此，至今为止很多金刚石工具还需在无氧化境中制备。

金刚石工具一般来说都是金刚石金属基复合材料，其制备是在高温下的烧结过程。常用的金属基体包括铜和Ⅷ族金属元素，如铁、钴和镍。但是在高温制备过程中，Ⅷ族金属元素会催化金刚石石墨化，导致金刚石的硬度和抗压强度急剧下降，极大降低了金刚石工具的性能和寿命。虽然铜在金刚石复合材料中常被用作粘接剂，但是铜与金刚石的润湿性差，导致二者间界面强度低，金刚石在使用过程中容易被拔出，缩短了金刚石工具的使用寿命。

目前，解决上述问题的常用方法是在金刚石表面涂覆上与金刚石有良好润湿性和化学结合能力的材料，如金属、硼、硅等。而物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)则是最常用的两种镀层方法。但是这两种方法也各有缺陷，PVD法制作的镀层与金刚石连结较弱，因为所制备的镀层没有与金刚石形成化学键连结，而CVD法中需用到有毒、易燃或者腐蚀性的气体作为反应源，具备较大的安全隐患。

美国专利No.6524357提出了一种在金刚石表面镀金属镀层的方法：首先在惰性气氛将金刚石与金属氧化物粉末在500℃下加热，然后将样品在氢气中加热至700-800℃并保温30分钟，除去氧化层最终在金刚石表面形成金属镀层。专利EP0352811进一步地描述了这种金属镀层金刚石在切割工具和复合片中的应用。另外，美国专利No.4968326还描述了一种提高金刚石工具寿命的方法，即通过在金刚石和基体材料间生成碳化物界面。

但金属碳化物对金刚石抗氧化能力的提升效果有限，在约800℃的有氧环境下金属碳化物涂层被氧化的同时发生脱落，不能有效的提高金刚石的抗氧化能力。硼元素的加入有助于进一步提高其抗氧化能力。美国专利No.7807220描述了一种在金刚石表面生成碳化硼和硼化钴镀层的方法，大大提升了金刚石和基体材料的粘结力。这种方法需要很高的反应温度和反应时间，在1100℃下保温3h，只能使金刚石(100)面覆盖上碳化硼镀层，只有在1150℃保温至少6h才能实现镀层在金刚石表面的完全覆盖。据日本专利JP 9142932报道，在金刚石复合片中添加一定含量的氧化硼或硼酸，可以提高复合片在钻探过程中的强度。但是单纯的碳化硼镀层由于高温时氧化硼的挥发限制了其使用。

发明内容

本发明的目的是针对现有处理方法存在的上述问题，提供一种新方法，即一种金刚石表面镀硼掺杂金属碳化物的方法，其可以在1000℃高温下长时间保护金刚石不被氧化，防止由于Ⅷ族元素造成的金刚石石墨化，同时能够有效的提高金刚石和其他金属材料的粘接强度，更充分地利用昂贵的金刚石材料。

本发明之法适用的金刚石种类包括天然金刚石、高温高压金刚石、聚晶金刚石复合片和化学气相沉积制得的金刚石，金刚石的形貌包括颗粒、微粉、薄片以及其它特定形状。

通过本发明之法在金刚石表面镀上的硼掺杂金属碳化物镀层，其成分可以是硼参杂的碳化钛、碳化锆、碳化铪、碳化钒、碳化铌、碳化钽、碳化铬、碳化钼和碳化钨中的一种或多种组合，镀层厚度范围是0.1～20微米。