[發(fā)明專利]一種亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼表面制備金剛石薄膜的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610789664.X
• 申請日: 2016-08-31
• 公開（公告）號: CN106282920B
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李曉;胡曉君;馮濤;章航程
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/16;C23C14/35;C23C16/02;C23C16/27
• 代理公司: 杭州天正專利事務(wù)所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;王兵

本發(fā)明提供了一種亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼表面制備金剛石薄膜的方法，所述方法為：通過磁控濺射技術(shù)在經(jīng)過噴砂處理的亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼表面沉積Cr/CrN過渡層，再將表面沉積有Cr/CrN過渡層的奧氏體不銹鋼先浸沒于金剛石微粉的丙酮懸浮液中超聲振蕩，然后浸沒于丙酮中超聲振蕩，干燥后，通過化學(xué)氣相沉積工藝，在Cr/CrN過渡層上沉積金剛石薄膜，制得成品；本發(fā)明制備的金剛石薄膜具有良好的膜基結(jié)合強(qiáng)度，以HR?150A洛氏硬度計(jì)在150Kgf壓頭作用下，壓痕表面未出現(xiàn)裂紋或損傷。

(一)技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼表面制備金剛石薄膜的方法。

(二)背景技術(shù)

金剛石具有許多優(yōu)異的性能，如高硬度、高耐磨性、高彈性模量、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性。將金剛石薄膜沉積于亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼(主要指200系列Cr-Mn型奧氏體不銹鋼和300系列Cr-Ni型奧氏體不銹鋼等，在受載荷作用下會產(chǎn)生形變誘發(fā)馬氏體現(xiàn)象的不銹鋼)表面，可以發(fā)揮金剛石高熱導(dǎo)率、高化學(xué)穩(wěn)定性及良好生物穩(wěn)定性等優(yōu)異特性，在醫(yī)療器械和食品行業(yè)存在巨大的潛在應(yīng)用，因而備受關(guān)注。

然而，在亞穩(wěn)不銹鋼表面制備出高結(jié)合力的金剛石薄膜是一件非常困難的事情。其原因有二：一是由于亞穩(wěn)不銹鋼中含有催化石墨相形成的鐵和鎳元素，使金剛石相難以形成；二是由于亞穩(wěn)不銹鋼的熱膨脹系數(shù)與金剛石的熱膨脹系數(shù)相差很大(不銹鋼的熱膨脹系數(shù)為19×10^-6/K(0～800℃)，金剛石的熱膨脹系數(shù)為1×10^-6/K(0～800℃))，在冷卻過程中兩者間會產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力，使高溫下沉積的金剛石在降溫過程中脫落。目前解決此問題的辦法是在亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼表面引進(jìn)過渡層，該過渡層要求：(1)能阻隔化學(xué)氣相沉積過程中鐵和鎳元素向外擴(kuò)散，防止生成的金剛石石墨化；(2)能阻止碳往不銹鋼內(nèi)擴(kuò)散，提高金剛石的形核率，并使不銹鋼中的碳含量不致過度升高；(3)與基體和金剛石都具有良好的結(jié)合力，并具有良好的韌性，能緩和降溫過程中薄膜中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。目前，許多材料(包括Cr、Si、Al、Al/AlN和CrN等)已經(jīng)被選為過渡層材料并進(jìn)行了不銹鋼表面金剛石涂層制備方面的研究。但是僅采用過渡層的方法，制備的金剛石膜還存在膜基結(jié)合力不高、容易脫落的問題。

(三)發(fā)明內(nèi)容

噴砂是一種常見的表面處理工藝，主要用來清理零件表面的氧化皮、油污和使零件表面粗糙化，從而使表面沉積的涂層可以通過機(jī)械咬合提高結(jié)合力。亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼存在形變誘發(fā)馬氏體現(xiàn)象，即當(dāng)不銹鋼受到塑性變形時，奧氏體會向馬氏體轉(zhuǎn)變。馬氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)比奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)小30％左右，在馬氏體不銹鋼上沉積的金剛石膜產(chǎn)生的熱應(yīng)力明顯比奧氏體不銹鋼上小。因此，本發(fā)明的目的是通過噴砂與過渡層聯(lián)合使用，發(fā)揮馬氏體相熱膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)，提供一種在亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼表面制備具有高結(jié)合強(qiáng)度的金剛石薄膜的方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼表面制備金剛石薄膜的方法，所述方法按如下步驟進(jìn)行：

(1)對亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼表面進(jìn)行噴砂處理，所述噴砂處理采用30～320目的玻璃砂，工作壓力為0.1～0.5MPa，噴砂時間為1～30min。

所述的亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼主要指200系列Cr-Mn型奧氏體不銹鋼和300系列Cr-Ni型奧氏體不銹鋼等，在受載荷作用下會產(chǎn)生形變誘發(fā)馬氏體現(xiàn)象的不銹鋼。具體的產(chǎn)品牌號包括201、202、301、304等。

經(jīng)步驟(1)噴砂處理后，亞穩(wěn)奧氏體不銹鋼表層的馬氏體相體積含量為20％～100％(以X射線衍射法檢測其含量，檢測深度為15μm左右)，表面粗糙度為3.2～40μm。馬氏體的熱膨脹系數(shù)為13×10^-6/k，比奧氏體的熱膨脹系數(shù)小約32％，可以有效地降低冷卻過程中金剛石中的熱應(yīng)力。