[发明专利]硬质合金材料表面金刚石层的制备方法、硬质合金材料及其应用

说明书

本申请具体公开了一种硬质合金材料表面金刚石层的制备方法、硬质合金材料及其应用。硬质合金材料表面金刚石层的制备方法，将硬质合金材料置于工作腔中，抽真空；之后同时通入氢气、甲烷及四甲基硅烷，并加热至550℃以上，进行化学气相沉积；甲烷和四甲基硅烷的体积比为10：(0.1‑5)。硬质合金材料，其表面金刚石层采用上述硬质合金材料表面金刚石层的制备方法制得。刀具，材质为上述硬质合金材料。本申请通过将掺杂碳化硅的金刚石层沉积在硬质合金材料上，使由该材料制得的刀具具有更好的耐磨性和热稳定性，更低的热膨胀性及更高的导热性。本申请通过四甲基硅烷的引入，在金刚石中掺杂碳化硅，利用其良好的耐高温性，弥补了金刚石在耐高温性上的不足。

技术领域

本申请涉及金刚石涂层的领域，更具体地说，它涉及一种硬质合金材料表面金刚石层的制备方法、硬质合金材料及其应用。

背景技术

硬质合金材料是一种采用难熔金属的硬质化合物以及粘结金属为原料通过粉末冶金工艺而制得的高硬耐磨材料。该材料除了具有较高的硬度和良好的耐磨性外，还具有良好的耐热性和耐腐蚀性。

由于硬质合金材料具有上述优良的特性，因此该材料常被制成刀具（如铣刀）而应用于石墨模具零件、陶瓷材料、碳纤维材料以及PCB线路板等的加工中；尤其是硬质合金材料中最重要的一类材料：钨钢，其被制成刀具并广泛应用于上述加工中，并取得了不错的效果。

然而，随着工业加工向高速化发展，并且对加工精度的要求越来越苛刻，要求刀具具有更好的切削性能和更长的加工寿命；从而，对于硬质合金材料也提出了更高的要求，要求该材料具有更好的耐磨性和热稳定性，更低的热膨胀性以及更高的导热性，这样才能使硬质合金刀具具有更理想的性能，并更好地运用于加工石墨、陶瓷、碳纤维、PCB线路板等领域中。

发明内容

为了使硬质合金材料具有更好的耐磨性和热稳定性，更低的热膨胀性以及更高的导热性，本申请提供一种硬质合金材料表面金刚石层的制备方法、硬质合金材料及其应用。

第一方面，提供了一种硬质合金材料表面金刚石层的制备方法，采用如下的技术方案：

硬质合金材料表面金刚石层的制备方法，将硬质合金材料置于工作腔中，对工作腔抽真空；之后同时向工作腔中通入氢气、甲烷以及四甲基硅烷，并加热工作腔至550℃以上，进行化学气相沉积；所述甲烷和四甲基硅烷的体积比为10：(0.1-5)。

通过采用上述技术方案，甲烷作为碳源气体可在氢气的帮助下，通过化学气相沉积的方式在硬质合金材料表面沉积形成金刚石层。四甲基硅烷的加入则引入了硅元素，硅元素与甲烷及四甲基硅烷所提供的碳元素结合而生成碳化硅，碳化硅与金刚石结合在一起，从而在硬质合金材料表面形成掺杂有碳化硅的金刚石层。其中，金刚石在硬质合金材料上的形成，可以赋予该硬质合金材料更好的硬度、更高的导热系数、更小的热膨胀系数以及更小的摩擦系数；然而金刚石的热稳定性较差，故在硬质合金材料上形成的金刚石层在高温处理后会发生变性，不利于硬质合金材料热稳定性的提高。碳化硅具有化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小以及耐磨性能好等优点，同样有利于硬质合金材料获得理想的性能；同时，碳化硅还具有优秀的热稳定性，有利于弥补金刚石在该性能上的不足，从而更好地提升了硬质合金材料的热稳定性。因此，通过在硬质合金材料表面沉积掺杂有碳化硅的金刚石层有利于使硬质合金材料具有更好的耐磨性和热稳定性，更低的热膨胀性以及更高的导热性。

同时，甲烷和四甲基硅烷的体积比控制为10：(0.1-5)，四甲基硅烷的占比过低，碳化硅的生成量较少，无法有效提高硬质合金材料的热稳定性；而碳化硅的生成量较多则会对硬质合金材料的耐磨性、热膨胀性及导热性产生一定不利的影响。

另外，氢气的通入能够促进碳氢化合物的离解反应，生成悬空的sp³杂化键；而该杂化键是碳源气体由气相的碳氢化合物向固相金刚石转变的重要环节。同时氢气还可以稳定sp³结构的碳原子并刻蚀石墨和无定型碳，从而有利于金刚石的生长。