[发明专利]一种在钢基体上制备碳化钨过渡层-硅掺杂金刚石复合涂层的方法

说明书

本发明公开了一种在钢基体上制备碳化钨过渡层‑硅掺杂金刚石复合涂层的方法。该方法针对低碳钢和低合金钢等为基体，首先，采用氟化钨和甲烷为前驱体，采用等离子体增强化学气相法沉积（PECVD）纳米碳化钨涂层，然后采用热丝化学气相沉积法在碳化钨涂层上沉积纳米晶硅掺杂金刚石涂层，形成双层过渡层，然后在硅掺杂金刚石涂层表面沉积本征微米或纳米金刚石涂层。该方法可以制备微米或纳米金刚石薄膜涂层，涂层厚度可在2‑30μm之间调节。与现有技术相比，该本方法解决了钢基体因热膨胀系数与金刚石相差过大导致的不能直接沉积CVD金刚石涂层的问题，使得钢基体可用来替代常规硬质合金用于沉积金刚石涂层，经济性能显著。

技术领域

本发明涉及一种薄膜技术领域的制备方法，具体涉及一种在钢基体上制备碳化钨过渡层-硅掺杂金刚石复合涂层的方法。

背景技术

金刚石薄膜具有优良的物理和化学性能,它具有硬度高，摩擦系数小，导热率高的优点，并且化学性质稳定，是良好的绝缘体，在掺杂B、N、Si等元素后是一种优良的半导体材料。目前，CVD金刚石技术已经得到广泛应用，如工具领域的涂层模具、刀具以及耐磨器件，水处理电化学耐腐蚀阳极等。

涂层附着力和表面光洁度是影响CVD金刚石涂层在耐磨减摩器件的应用中表现性能的主要因素。金刚石与基体材料热膨胀系数和晶格常数的差异，沉积的金刚石涂层存在一定内应力，导致涂层附着力下降、容易脱落，这种情况的刀具、轴类器件等应用场合尤为明显。因为CVD法沉积金刚石薄膜时的衬底温度很高，约850℃左右，而金刚石的热膨胀系数较小，一般仅为衬底材料的1/3～1/4，冷却收缩后会在涂层产生较大的内应力。此外，由于在高温下Fe、Co等元素可以催化金刚石向石墨的转化，因此在工具领域具有广泛应用的钢及铁合金上无法直接沉积金刚石涂层，常见的金刚石沉积基体包括硬质合金和陶瓷等。另一方面，碳化钨涂层常被用来热喷涂在钢基体表面，用来提高基体表面的硬度和耐磨性。中国专利申请“一种碳化钨梯度复合涂层及其制备方法”（109023354A）采用激光熔覆的方法在钢表面制备一层碳化钨涂层。中国专利“H13钢表面超音速火焰喷涂高硬度耐磨损的WC-17Co金属陶瓷涂层”（CN 109136812A）采用超音速火焰喷涂在钢表面制备WC-17Co涂层的方法。可以提高钢的表面硬度和耐磨性。但碳化钨涂层的硬度及耐磨性仍然远远小于金刚石，影响工具使用效率和寿命的提高。

此外，直接在喷涂有碳化钨涂层的钢基体表面沉积金刚石涂层也存在问题。首先喷涂碳化钨中常含有Co等元素，会导致金刚石石墨化和涂层脱落。其次，碳化钨的表面硬度不足，也会导致表层金刚石涂层本身优异表面硬度的降低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种在钢基体上制备碳化钨过渡层-硅掺杂金刚石复合涂层的方法，极大扩展了基体材料的选择范围并且降低了成本。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种在钢基体上制备碳化钨过渡层-硅掺杂金刚石复合涂层的方法，包括如下操作步骤：

S1.将基体预处理后，采用等离子体增强化学气相沉积法沉积一层纳米晶碳化钨涂层；

S2.采用热丝化学气相沉积法，在纳米晶碳化钨涂层表面沉积一层硅掺杂金刚石涂层；

S3.继续采用热丝化学气相沉积法在所述硅掺杂金刚石涂层表面沉积一层本征金刚石涂层；

基体为低碳钢或低合金钢中的任意一种。

本发明提供的方法可以制备微米或纳米金刚石薄膜涂层，涂层厚度可在2-30μm之间调节。与现有技术相比，本发明提供的方法解决了钢基体因热膨胀系数与金刚石相差过大导致的不能直接沉积CVD金刚石涂层的问题，使得钢基体可用来替代常规硬质合金用于沉积金刚石涂层，经济性能显著。此外，碳化钨-硅掺杂纳米双层过渡层结构致密，并且可以有效降低残余热应力，因此表面可以沉积具有优良附着力和耐磨性能的本征金刚石涂层。在具有耐磨要求的刀具、轴类器件上有广泛的应用前景。