[发明专利]一种无钴硬质合金材料表面金刚石涂层的制备方法

说明书

本发明涉及一种无钴硬质合金材料表面金刚石涂层的制备方法。该方法包括：高熵合金HEA制备，WC‑HEA硬质合金基体制备，无钴硬质合金材料表面金刚石涂层制备。该方法消除了原WC‑Co硬质合金中由于钴的热扩散作用而导致的催石墨化效应，同时提高金刚石涂层在沉积初期的形核密度，增强涂层与基体的附着强度。

技术领域

本发明属于金刚石涂层制备领域，特别涉及一种无钴硬质合金材料表面金刚石涂层的制备方法。

背景技术

碳化钨-钴(WC-Co)硬质合金因其高硬度、高耐磨性等优异的机械物理性能，广泛应用于切削刀具、模具和耐磨器件等工业领域。WC-Co中的陶瓷相WC使得硬质合金具备高硬度和高耐磨性，粘接相Co使得硬质合金具备良好的韧性。化学气相沉积(CVD)金刚石涂层具有接近天然金刚石的高硬度、高耐磨性、高热导率、低摩擦系数和良好的化学惰性等诸多优异性能。在硬质合金表面沉积金刚石涂层可以大幅度提高硬质合金产品的机械力学性能，进一步增强硬质合金工具的综合性能。例如：金刚石涂层硬质合金刀具在加工纤维增强复合材料、金属基增强复合材料等高性能难加工材料方面具有良好的使用效果。

然而，由于WC-Co硬质合金中钴元素在金刚石涂层沉积过程中的“催石墨化”效应，降低硬质合金表面的金刚石涂层质量和涂层与基体的附着强度。为了消除WC-Co硬质合金中钴元素在金刚石涂层沉积过程中的“催石墨化”效应，以及提高涂层与基体的附着强度，在涂层沉积之前，国内外应用的预处理方法是化学预处理。利用强碱溶液(K₃[Fe(CN)]₆+KOH+H₂O)对硬质合金基体进行超声粗化处理后，再利用强酸溶液(HCl或H₂O₂或H₂SO₄或HNO₃和H₂O按不同比例混合成的溶液)对已粗化的基体进行“去钴”处理，以去除基体表层的钴元素。化学预处理带来的负面影响包括：1、强碱强酸溶液对基体的强烈腐蚀作用，破坏基体的表面强度和韧性；2、化学反应的定量控制难度大，表面处理难以获得所设计的目标效果；3、基体内部的钴元素在沉积过程中，由于“热扩散”作用，从基体内部向表面迁移，仍然存在的钴元素“催石墨化”效应。

经对现有技术的专利检索发现，已有的WC-Co硬质合金基体制备金刚石涂层的预处理工艺，均涉及前述的化学预处理方法中的全部或部分步骤。比如：中国专利申请号201610920894.5和201710960653.8等，无论是在强度和韧性地保持方面或者在沉积过程中，由于钴“热扩散”作用带来的催石墨化效应均没有得到很好地解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无钴硬质合金材料表面金刚石涂层的制备方法，以克服现有技术中WC-Co硬质合金沉积CVD金刚石涂层的化学前处理对基体材料强度和韧性的影响，以及沉积过程中由于钴元素的不利影响所带来的涂层质量差和附着强度低的缺陷。

本发明提供了一种无钴硬质合金材料表面金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将铜(Cu)、铬(Cr)、铝(Al)、镍(Ni)和钛(Ti)以等原子比混合，氩气保护氛围下球磨，将得到的高熵合金HEA与碳化钨WC混合，再次球磨，干燥，压制预成型，真空烧结，得到WC-HEA硬质合金基体，其中HEA与碳化钨WC混合后HEA的质量百分比为6％～10％；

(2)将步骤(1)中WC-HEA硬质合金基体置于酒精和晶粒度5μm～10μm金刚粉的混合溶液中超声处理，粗化基体表面，清洗，再置于酒精和晶粒度10nm～50nm金刚粉的混合溶液中再次超声处理，吹干；

(3)将步骤(2)中吹干后的基体进行化学气相沉积，得到无钴硬质合金材料表面金刚石涂层。

所述步骤(1)中球磨的工艺参数：采用行星球磨机，球磨时间为30～40h，Cu、Cr、Al、Ni和Ti混合后的混合物与磨球的质量比为1:8～1:12。