[发明专利]一种金刚石膜涂层钢铁基复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料领域，涉及一种金刚石膜涂层钢铁基复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

由于金刚石集高硬度、高耐磨性、高热导、低摩擦系数、低热膨胀系数和良好的化学稳定性等优异性能于一身，因此金刚石膜涂层工具的发展十分迅速。

目前，金刚石膜涂层硬质合金工具和陶瓷工具的研究较为成熟，且产品已进入市场。相对而言，金刚石膜涂层钢铁基材工具的研究进展缓慢，一直未能解决金刚石膜与钢铁基材的附着性能差的问题。然而，钢铁基材工具较硬质合金工具、陶瓷工具具有很好的综合机械性能，且成本低廉；此外，硬质合金的主要成分为WC-Co，而W、Co已被列为我国的战略性资源，且价格昂贵。因此，钢铁基材金刚石膜涂层工具具有很大的市场潜力，选用常用的钢铁材料来代替硬质合金将大大降低原材料成本。

众多学者通过研究发现在钢铁基材上还很难直接沉积出理想的金刚石膜，他们认为其主要原因有以下几方面：碳在铁中具有较高的溶解度和较大的扩散系数，在金刚石膜沉积过程中，气相中的碳原子向钢铁基材中快速扩散渗透，使基体表面碳原子浓度降低，延长了金刚石的成核时间，降低了金刚石的形核率。基体中的铁对碳具有很强的sp²催化作用，金刚石膜沉积过程中，基体表面通常最先形成石墨、无定型碳等非金刚石相，金刚石膜实际上是生长在这些非金刚石碳相表面，其粘结性非常差。金刚石与钢铁材料的热膨胀系数相差约1个数量级，钢铁基材冷却后产生大量收缩，导致金刚石膜处于极高的压应力状态，使膜层与基体间的结合强度大大降低。因此，本专利采用成分与硬质合金相类似的W-C-Co作为中间层，既可以屏蔽Fe对金刚石沉积的不利影响，又可以增加钢的硬度和耐磨性，还可以缓解钢铁基材与金刚石膜之间热膨胀系数巨大差异造成的应力。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种金刚石在钢铁基材上的形核率高，金刚石膜与基体结合强度高的金刚石膜涂层钢铁基复合材料。

本发明所要解决的第二技术问题是提供一种既解决金刚石在钢铁基材上的形核问题，又保证金刚石膜与基体具有很高的结合强度的金刚石膜涂层钢铁基复合材料的制备方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明提供的金刚石膜涂层钢铁基复合材料，从内向外依次为所述的钢铁基材、W-C-Co中间层和金刚石超硬耐磨层，所述的W-C-Co中间层的厚度大于或等于2μm、小于或等于100μm，所述W-C-Co中间层的成分包含钨碳化合物和金属钴，金属钴的质量百分数取值范围为1％～30％，其余为钨碳化合物。钨碳化合物的W与C原子比大于或等于1∶1、小于或等于3∶1，物相包含WC、W₂C、W₃C、WC_1-x中的一种或多种，其中x的取值范围为0.34～0.43，WC在钨碳化合物中的质量百分数大于或等于50％、小于或等于100％，其余为W₂C、W₃C、WC_1-x中的一种或多种；所述金刚石超硬耐磨层的厚度大于或等于1μm，小于或等于300μm。

为了解决上述第二个技术问题，本发明提供的金刚石膜涂层钢铁基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)、对钢铁基材进行机械抛光、清除油污处理；

(2)、在钢铁基材表面制备一层W-C-Co中间层，其中Co含量质量百分数为1～30％。

(3)、对W-C-Co中间层进行表面处理，包括研磨、抛光，以控制表面粗糙度；

(4)、对W-C-Co中间层进行金刚石超硬耐磨层生长前的预处理；

(5)、在处理后样品表面采用化学气相沉积方法制备金刚石超硬耐磨层。

所述的步骤(2)中所述的W-C-Co中间层的制备方法包含所有可用于制备W-C-Co涂层的技术，如热喷涂、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等。

所述的步骤(2)中所述的W-C-Co中间层的制备过程中可控制Co的质量百分含量，可控制Co含量恒定或Co含量梯度变化(即由所述的钢铁基材与W-C-Co中间层界面处至W-C-Co与空气界面处Co含量逐渐降低)。

所述步骤(4)为W-C-Co中间层在金刚石超硬耐磨层生长前进行“表面化学预处理”和“制备过渡层预处理”中的一种或两种混合预处理。

所述W-C-Co中间层的表面化学预处理采用一步法处理或二步法处理。