[发明专利]一种钢铁基镶嵌金刚石涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金刚石薄膜技术领域，特别涉及一种钢铁基体表面沉积镶嵌金刚石膜及其制备方法。

背景技术

金刚石具有优异的力学、热学、光学、电学、化学及生物学性能，具有非常广阔的应用前景。化学气相沉积(Chemical Vapor Chemical，简称CVD)金刚石在碳化物形成元素基体如硅、铬、钛钨、钼及硬质合金刀具等上面能获得粘附力较高的涂层，而在碳溶解元素基体如铁、镍、钴及其合金、钢铁材料表面难以直接形成涂层。其原因是铁、镍、钴元素在CVD金刚石生长过程中催化金刚石形成石墨，膜/基结合力很差。CVD涂层金刚石的典型应用是作为刀具涂层来提高切削刀具的使用寿命，这需要基体有足够高的硬度来支撑CVD金刚石膜，因而目前刀具上的金刚石涂层，通常选用硬质合金基体。硬质合金的主要成分是WC-Co，而W、Co已被列为我国的战略性资源，且价格昂贵，并且作为金刚石刀具涂层基体，在实际切削过程中，硬质合金基本不消耗，造成大量钨、钴资源浪费。钢铁是目前应用最广泛的结构材料，在钢铁基体上沉积金刚石作为涂层刀具，原材料成本显著降低，具有很大的市场潜力。而目前，在钢铁基体表面通常无法直接沉积结合力牢固的CVD金刚石涂层，简单在钢铁基体表面与沉积扩散阻挡层后沉积的金刚石膜，无法作为切削加工用刀具涂层。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种在钢铁基体上沉积镶嵌金刚石涂层的方法。该方法集渗铬和沉积镶嵌结构界面金刚石涂层于一体，利用CVD沉积金刚石涂层时的样品温度同时实现扩散阻挡层与基体渗铬，强化扩散阻挡层与基体界面并提高与金刚石涂层的硬度支撑，用扩散阻挡层上的镶嵌结构界面金刚石提高金刚石与基体的结合力，使金刚石涂层在快冷淬火过程中与基体结合牢固。该方法不仅解决了钢铁基体对金刚石沉积的石墨化问题，而且过渡层强度和硬度高，和硬质合金相近，与金刚石涂层结合力好。在该过渡层上沉积的金刚石膜与过镀层镶嵌咬合，在CVD金刚石沉积结束后，直接喷气冷却工件，钢铁基体能直接淬火形成马氏体，而金刚石膜与基体仍能结合牢固，保证了基体、过渡层对CVD金刚石涂层的有效支撑。

本发明通过下述技术方案实现：

一种在钢铁基体上沉积金刚石涂层的制备方法，是在钢铁基体表面用磁控溅射法预沉积一层铬层，然后用磁控溅射法双靶共溅射沉积CrCu层，在CrCu表面复合电沉积CuCrMo-金刚石镶嵌过镀涂层，用CVD法在沉积有扩散阻挡层(即磁控溅射Cr层和CuCr层)和镶嵌过渡层(即CuCrMo-金刚石)的钢铁基体上沉积连续金刚石涂层，最后用喷氢快冷法使钢铁基体淬火形成马氏体而提高基体强度和硬度，在钢铁得到具有高支撑强度的金刚石刀具涂层。具体步骤如下：

(1)在钢铁基体表面溅射沉积Cr膜；

(2)在沉积Cr膜的基体上沉积CuCr膜；

(3)在沉积有Cr/CuCr膜的样品上，上砂复合电镀Cu-金刚石复合层；

(4)在上砂复合镀的样品上，加固镀CuCrMo层；

(5)用CVD金刚石生长设备在沉积有镶嵌过渡层样品表面生长出连续金刚石涂层；因CVD金刚石沉积过程中样品温度达850～1000℃，在钢铁基体表面沉积的Cr层向基体扩散，基体中的碳向铬层扩散形成碳化铬，强化了铬/基体界面，提高了渗铬层硬度，并阻止了铁、镍、钴等石墨催化元素扩散至金刚石/铬界面。

(6)在CVD金刚石生长结束后，用还原性或中型气体气流喷冷样品淬火，使基体钢铁快冷淬火，钢铁基体组织变成高硬度的马氏体，CVD金刚石膜仍能牢固粘附于基体表面，从而得到钢铁基体表面沉积有金刚石涂层的刀具。淬火后的涂层金刚石刀具需立即在回火炉中用180～240℃回火1小时，以降低淬火应力和金刚石刀具涂层组织应力。

优选地，所述步骤(1)沉积Cr膜：将钢铁基体表面经机械处理(用w2.5的金刚石抛光膏抛光)、超声波清洗(先用丙酮、无水酒精和四氯化碳等超声波清洗15分钟，再用无水酒精超声波清洗15分钟)后放入磁控溅射室，抽本底真空度小于8×10^-3Pa，充高纯氩气至工作气压为0.5～1Pa，设置钢铁基体负偏压为-150～-50V，将钢铁基体加热至400～700℃；启动铬靶磁控溅射，磁控溅射功率密度为5.0～20W/cm²，铬溅射时间为20～60min。

优选地，所述步骤(2)沉积CuCr膜：同时启动铬靶和铜靶溅射沉积，铬溅射功率密度为2～5.0W/cm²，铜靶磁控溅射功率密度为4～10W/cm²，沉积时间为10～20min。