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CN110527891B - 低钴硬质合金表面金刚石涂层及其制备方法 - Google Patents

低钴硬质合金表面金刚石涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低钴硬质合金表面金刚石涂层及其制备方法，以低钴含量的硬质合金为基体材料沉积金刚石薄膜。利用石墨烯的优异物理性能，提升低钴含量硬质合金的韧性，用于金刚石涂层的基体材料。减少金刚石涂层前的化学预处理时间，避免了长时间的化学反应对基体材料的腐蚀损伤，更好地保持产品的尺寸精度。同时，缓解了钴在金刚石涂层沉积过程中的热扩散作用，改善涂层与基体的附着强度。实现用于金刚石涂层硬质合金基体韧性提升与消除钴元素不利影响的双重效果，为提高金刚石涂层硬质合金产品性能提供了有效方法。

Description

低钴硬质合金表面金刚石涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于金刚石涂层及其制备领域，特别涉及一种低钴硬质合金表面金刚石涂层及其制备方法。
背景技术
金刚石涂层的高硬度、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，使得其在工模具领域广泛应用。在硬质合金工模具表面沉积金刚石涂层，不仅可以大幅度提高工模具的使用寿命，还能改善工件的加工表面质量。
为了兼顾基体材料硬度和韧性的平衡，金刚石涂层选用的硬质合金基体含钴量通常为6wt.％～8wt.％。然而，为了消除基体材料中的钴元素在金刚石涂层沉积过程中的催石墨化作用，在制备金刚石涂层之前，又必须对硬质合金基体进行“化学腐蚀去钴”预处理。基体的含钴量越高，化学腐蚀的时间就越长。“去钴”的同时，对基体中的碳化钨结构带来不可避免的损伤，从而影响基体材料的性能。使得金刚石涂层产品的性能不能达到预期效果。
经对现有技术的专利检索发现，中国专利申请号201510673007.4和03117958.4提出利用表面层贫钴的梯度硬质合金作为基体材料，制备金刚石涂层，用以解决钴元素对金刚石涂层沉积的影响，同时兼顾基体的强度和韧性。但是，梯度硬质合金基体芯部的富钴层在金刚石涂层沉积过程中，由于基体受热，钴的热扩散作用仍然会引起金刚石涂层的催石墨化和降低膜基附着强度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种硬质合金基体增韧金刚石涂层及其制备方法，克服现有技术中应用于金刚石涂层的硬质合金中含钴量为6wt.％～8wt.％，为了获得较好的预处理效果，需要进行较长时间的化学预处理，“去钴”的同时，也损伤了基体的结构性能。另外，基体内部较高的钴含量在金刚石涂层沉积过程中，有较强的热扩散作用，导致金刚石涂层与基体的结合强度低的技术问题。本发明中低钴含量硬质合金基体增韧沉积金刚石涂层。
本发明的一种金刚石涂层，所述涂层以硬质合金为基体材料沉积金刚石薄膜；
其特征在于，按质量百分比，硬质合金的原料组分包括：石墨烯(粉末)0.1wt.％～1wt.％、钴2wt.％～3wt.％、碳化钨(粉末)97.9wt.％-96wt.％。
本发明的一种金刚石涂层的制备方法，包括：
(1)将分散的石墨烯、钴粉与碳化钨粉球磨混合，得到浆料，进行真空干燥，基体烧结成型，得到硬质合金基体材料；
(2)将上述基体预处理，沉积金刚石涂层，即得。
上述制备方法的优选方式如下：
所述步骤(1)中分散的石墨烯具体为：采用无水乙醇为分散溶液，无水乙醇与石墨烯的配比为100mL:(0.1～0.5)g，利用超声振荡分散工艺，其中超声频率为40KHz；超声工作时间的占空比为1：1；超声振荡的时间为4～6h。
所述步骤(1)中球磨混合具体工艺参数为：采用的磨球为直径5mm的硬质合金WC-3wt.％Co球，球磨机的转速为300～500rpm，球磨时间为6～8h；其中无水乙醇：粉料：磨球的配比为：(1～2)mL:1g:(7～10)g。
所述步骤(1)中真空干燥为：将混合搅拌后的浆料，置于真空干燥箱中，进行干燥，干燥过程中，加热温度为90～100℃，至浆料中无可见液体时，停止加热(关闭加热功能)，自然干燥2～3h，干燥全过程中，保持真空室内的压力为10000～15000Pa。
所述步骤(1)中烧结成型：将干燥后的粉末，压制成设计要求的形状后，采用真空压力烧结方法，烧结成型，的温度为1380℃，压力为40MPa。
所述步骤(2)中预处理具体为：将基体浸没于碱溶液处理10min，清洗，吹干，再将碱处理后的基体浸没于酸溶液自然反应10s，清洗，吹干；用金刚石粉和丙三醇的混合溶液研磨，清洗，吹干；其中碱液为铁氰化钾：氢氧化钾：水＝1g：1g：10mL；酸溶液为盐酸：双氧水＝1mL：4mL。
所述步骤(2)中沉积具体为：采用热丝化学气相沉积方法，将预处理后的基体，置于化学气相沉积设备中，待设备的真空室压力达到5Pa以下后，输入反应工作气体甲烷流量10～20sccm，氢气流量1000～2000sccm，调节反应压力为2000～4000Pa，涂层沉积时间为6～10h。本发明提供一种所述方法制备的金刚石涂层。
本发明提供一种所述金刚石涂层的应用。
有益效果
(1)本发明解决了现有技术中金刚石涂层的硬质合金基体中高钴含量对涂层不利影响和基体强度韧性无法协调的问题，提供了一种用于金刚石涂层的低钴含量硬质合金基体增韧工艺及涂层制备方法；
(2)利用石墨烯强度高、韧性好等优异特性，提高低钴含量硬质合金基体的韧性，石墨烯的成份是碳，在硬质合金制备过程中不引入其他杂质元素，使得硬质合金的成份不会受到影响；
(3)低钴含量的硬质合金用于金刚石涂层时，预处理阶段“碱+酸”的化学腐蚀时间减少，避免了长时间化学腐蚀对硬质合金材料性能的不良影响以及对成品工件尺寸精度的影响，同时也避免了传统硬质合金内部高钴含量在沉积过程的热扩散，导致涂层质量和膜基结合强度差的问题；
(4)本发明利用石墨烯的优异物理性能，提升低钴含量硬质合金的韧性，用于金刚石涂层的基体材料，减少金刚石涂层前的化学预处理时间，避免了长时间的化学反应对基体材料的腐蚀损伤，更好地保持产品的尺寸精度。同时，缓解了钴在金刚石涂层沉积过程中的热扩散作用，改善涂层与基体的附着强度，实现用于金刚石涂层硬质合金基体韧性提升与消除钴元素不利影响的双重效果，为提高金刚石涂层硬质合金产品性能提供了有效方法。
附图说明
图1是对比例中制得的普通硬质合金(6wt.％Co)基体表面金刚石涂层的压痕形貌；
图2是实施例1制得的石墨烯增强低钴含量(3wt.％Co)硬质合金(0.3wt.％石墨烯)基体表面金刚石涂层的压痕形貌。
图3是实施例2制得的石墨烯增强低钴含量(3wt.％Co)硬质合金(0.5wt.％石墨烯)基体表面金刚石涂层的压痕形貌。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例和对比例中所涉及的石墨烯为市售产品，片径5-10微米，厚度3-10纳米；钴粉为市售产品，颗粒直径1微米；碳化钨粉为市售产品，颗粒直径为0.8微米。
实施例1
石墨烯增强低钴含量(3wt.％Co)硬质合金(0.3wt.％石墨烯)基体金刚石涂层沉积。
(1)石墨烯分散：用精密电子天平称量石墨烯粉末0.3g，倒入100mL的无水乙醇中，采用细胞粉碎仪，设置超声频率为40KHz；超声工作时间的占空比为1：1；超声振荡的时间为4h。
(2)球磨混合：用精密电子天平称量2.991g的钴粉和96.709g的碳化钨粉末，连同(1)中的石墨烯-酒精溶液倒入球磨罐。称量700g直径5mm的硬质合金(WC-wt.3％Co)球，放入球磨罐。在球磨罐中加入100mL无水乙醇，设置球磨机的转速为400rpm，球磨时间8h。
(3)真空干燥：将球磨后的浆料，置于真空干燥箱中，进行干燥。设置干燥箱内的压力为15000Pa，加热温度为90℃，至浆料中无可见液体时，关闭加热功能，自然干燥3h。
(4)基体烧结成型：将干燥后的粉末，用120目的筛网过筛后，采用粉末压片机压制预成型。采用真空烧结炉，设置烧结温度为1380℃，压力为40MPa，烧结时间40min。烧结后的样品，用金相磨抛机将基体表面磨抛成镜面。
(5)基体预处理：将步骤(4)中的基体用无水乙醇超声清洗后，吹干。将基体浸没于碱溶液(铁氰化钾：氢氧化钾：水＝1g：1g：10mL)处理10min，清洗，吹干。再将碱处理后的基体浸没于酸溶液(盐酸：双氧水＝1mL：4mL)自然反应10s，清洗，吹干。用金刚石粉和丙三醇的混合溶液研磨，清洗，吹干。
(6)金刚石涂层沉积：采用热丝化学气相沉积方法，将步骤(5)中预处理后的基体，置于化学气相沉积设备中，待设备的真空室压力达到5Pa以下后，输入反应工作气体甲烷流量15sccm，氢气流量1000sccm，调节反应压力为3000Pa，涂层沉积时间为6h。
实施例2
石墨烯增强低钴含量(3wt.％Co)硬质合金(0.5wt.％石墨烯)基体金刚石涂层沉积。
(1)石墨烯分散：用精密电子天平称量石墨烯粉末0.5g，倒入100mL的无水乙醇中，采用细胞粉碎仪，设置超声频率为40KHz；超声工作时间的占空比为：1：1；超声振荡的时间为4h。
(2)球磨混合：用精密电子天平称量2.985g的钴粉和96.515g的碳化钨粉末，连同(1)中的石墨烯-酒精溶液倒入球磨罐。称量1000g直径5mm的硬质合金(WC-wt.3％Co)球，放入球磨罐。在球磨罐中加入100mL无水乙醇，设置球磨机的转速为400rpm，球磨时间8h。
(3)真空干燥：将球磨后的浆料，置于真空干燥箱中，进行干燥。设置干燥箱内的压力为15000Pa，加热温度为90℃，至浆料中无可见液体时，关闭加热功能，自然干燥3h。
(4)基体烧结成型：将干燥后的粉末，用120目的筛网过筛后，采用粉末压片机压制预成型。采用真空烧结炉，设置烧结温度为1380℃，压力为40MPa，烧结时间40min。烧结后的样品，用金相磨抛机将基体表面磨抛成镜面。
(5)基体预处理：将步骤(4)中的基体用无水乙醇超声清洗后，吹干。将基体浸没于碱溶液(铁氰化钾：氢氧化钾：水＝1g：1g：10mL)处理10min，清洗，吹干。再将碱处理后的基体浸没于酸溶液(盐酸：双氧水＝1mL：4mL)自然反应10s，清洗，吹干。用金刚石粉和丙三醇的混合溶液研磨，清洗，吹干。
(6)金刚石涂层沉积：采用热丝化学气相沉积方法，将步骤(5)中预处理后的基体，置于化学气相沉积设备中，待设备的真空室压力达到5Pa以下后，输入反应工作气体甲烷流量15sccm，氢气流量1000sccm，调节反应压力为3000Pa，涂层沉积时间为6h。
对比例
普通硬质合金(6wt.％Co)基体金刚石涂层沉积。
(1)球磨混合：用精密电子天平称量6g的钴粉和94g的碳化钨粉末倒入球磨罐。称量1000g直径5mm的硬质合金(WC-wt.6％Co)球，放入球磨罐。在球磨罐中加入200mL无水乙醇，设置球磨机的转速为400rpm，球磨时间8h。
(2)真空干燥：将球磨后的浆料，置于真空干燥箱中，进行干燥。设置干燥箱内的压力为15000Pa，加热温度为90℃，至浆料中无可见液体时，关闭加热功能，自然干燥3h。
(3)基体烧结成型：将干燥后的粉末，用120目的筛网过筛后，采用粉末压片机压制预成型。采用真空烧结炉，设置烧结温度为1380℃，压力为40MPa，烧结时间40min。烧结后的样品，用金相磨抛机将基体表面磨抛成镜面。对比
(4)基体预处理：将步骤(3)中的基体用无水乙醇超声清洗后，吹干。将基体浸没于碱溶液(铁氰化钾：氢氧化钾：水＝1g：1g：10mL)处理10min，清洗，吹干。再将碱处理后的基体浸没于酸溶液(盐酸：双氧水＝1mL：4mL)自然反应10s，清洗，吹干。用金刚石粉和丙三醇的混合溶液研磨，清洗，吹干。
(5)金刚石涂层沉积：采用热丝化学气相沉积方法，将步骤(4)中预处理后的基体，置于化学气相沉积设备中，待设备的真空室压力达到5Pa以下后，输入反应工作气体甲烷流量15sccm，氢气流量1000sccm，调节反应压力为3000Pa，涂层沉积时间为6h。
利用显微硬度计分别检测实施例1中步骤(4)所制得的试样、实施例2中步骤(4)所制得的试样、对比例中步骤(3)所制得的试样，通过压痕载荷和压痕裂纹扩展长度计算得到三种情况下的断裂韧性数值分别为13.1±0.1MPa·m1/2，12.9±0.1MPa·m1/2和10.9±0.1MPa·m1/2。结果表明本发明的工艺方法，可提高硬质合金的韧性。
依据GB/T 230.1-2018《金属材料洛氏硬度试验第1部分：试验方法》，利用金刚石圆锥压头(锥角120°，顶部曲率半径0.2mm)，采用980N试验力进行压痕试验。用扫描电子显微镜检测压痕形貌。利用上述方法分别检测普通硬质合金基体的金刚石涂层样品、实施例1和实施例2制备的金刚石涂层样品，压痕形貌分别如图1、图2和图3所示。可以看出图1中的样品表面的涂层脱落面积大于图2和图3中的样品表面。结果表明本发明方法制备的低钴含量石墨烯增强硬质合金基体表面的涂层附着强度高于普通较高钴含量的硬质合金。

Claims (6)

1.一种金刚石涂层，所述涂层以硬质合金为基体材料沉积金刚石薄膜；
其特征在于，按质量百分比，硬质合金的原料组分包括：石墨烯0.1～1 %、钴2 ～3%、碳化钨97.9-96%；
其中所述金刚石涂层由下列方法制备：
（1）将分散的石墨烯、钴粉与碳化钨球磨混合，得到浆料，进行真空干燥，烧结成型，得到硬质合金基体；
（2）将上述基体预处理，沉积金刚石涂层，即得；其中预处理具体为：将基体浸没于碱溶液处理10 min，清洗，吹干，再将碱处理后的基体浸没于酸溶液自然反应10 s，清洗，吹干；用金刚石粉和丙三醇的混合溶液研磨，清洗，吹干；其中碱液为铁氰化钾：氢氧化钾：水=1g：1 g：10 mL；酸溶液为盐酸：双氧水=1 mL：4 mL；
沉积具体为：采用热丝化学气相沉积方法，将预处理后的基体，置于化学气相沉积设备中，待设备的真空室压力达到5Pa以下后，输入反应工作气体甲烷流量10~20 sccm，氢气流量1000~2000 sccm，调节反应压力为2000~4000 Pa，涂层沉积时间为6~10 h。
2.一种权利要求1所述金刚石涂层的制备方法，包括：
（1）将分散的石墨烯、钴粉与碳化钨球磨混合，得到浆料，进行真空干燥，烧结成型，得到硬质合金基体；
（2）将上述基体预处理，沉积金刚石涂层，即得。
3.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中分散的石墨烯具体为：采用无水乙醇为分散溶液，无水乙醇与石墨烯的配比为100 mL:（0.1~0.5）g，利用超声振荡分散工艺，其中超声频率为40KHz；超声工作时间的占空比为1：1；超声振荡的时间为4~6 h。
4.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中球磨混合具体工艺参数为：采用的磨球为直径5mm的硬质合金WC- 3 wt. % Co球，球磨机的转速为300~500 rpm，球磨时间为6~8 h。
5.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中真空干燥为：干燥过程中，加热温度为90~100℃，至浆料中无可见液体时，停止加热，自然干燥2~3h，干燥全过程中，保持真空室内的压力为10000~15000 Pa。
6.根据权利要求2所述制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中烧结成型的温度为1380oC，压力为40MPa。
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