[發明專利]一種在不銹鋼表面沉積金剛石薄膜的新方法

有效

• 申請號: 201711205535.2
• 申請日: 2017-11-27
• 公開（公告）號: CN107740068B
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 胡曉君;呂楓;李曉;馮濤;陳建清
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: C23C16/27
• 分類號: C23C16/27;C23C16/02
• 代理公司: 杭州天正專利事務所有限公司 33201
• 代理人: 黃美娟;王兵

本發明公開了一種在不銹鋼表面沉積金剛石薄膜的新方法。采用磁控濺射法在不銹鋼基底上先濺射一層新穎的過渡層，然后采用熱絲化學氣相沉積法在過渡層上生長金剛石薄膜，先在金剛石粉懸濁液中超聲30min，然后進行金剛石薄膜沉積，最后緩慢冷卻降至室溫，即可在不銹鋼表面制備出連續致密的金剛石薄膜。

技術領域

本發明涉及一種利用新穎的過渡層在不銹鋼表面沉積連續致密的金剛石薄膜的方法。

背景技術

金剛石具有優異的特性，如良好的化學穩定性和生物相容性，優良的機械性能和導熱性能，因此金剛石是理想的涂層材料。不銹鋼因其良好的綜合性能，在日常生活中的應用領域非常廣泛。不銹鋼制品涉及儀器儀表、機械設備和餐具廚具等各個方面。但是，不銹鋼產品成本高昂，使用過程中因失效帶來巨大損失，因此需要提高其耐腐蝕性、耐磨性等，以便延長產品的服役壽命。把不銹鋼與金剛石的優良特性結合起來，將會大大拓寬不銹鋼制品的應用領域，提高產品質量，具有十分重要的經濟和社會效益。

金剛石薄膜的制備技術日益成熟，但是在不銹鋼基底上沉積金剛石薄膜存在很多問題，主要包括以下三個方面：一、不銹鋼表面碳原子的擴散。在化學氣相沉積過程中，碳源熱解產生活性碳原子，在不銹鋼表面聚集并發生相互作用。由于不銹鋼表面溫度很高，其表面的碳原子會不斷向不銹鋼基底擴散。碳原子在不銹鋼基底中的擴散速率很快，從而降低不銹鋼表面的碳原子濃度，使得其達到飽和濃度的時間延長，進而大大降低金剛石的形核率。二、Fe、Co、Ni催化石墨相的形成。不銹鋼基底中含有大量的Fe元素，少量的Co和Ni元素，在HFCVD沉積過程中，基底產生高溫，Fe、Co、Ni等原子會向不銹鋼界面擴散，并會催化石墨相的形成。因此，當活性碳原子擴散到基底表面時，先形成sp²結構的石墨相，然后在石墨表面形成金剛石。由于石墨相比較軟，會使金剛石與基底的結合力很差，進而脫落。三、失配現象，包括晶格失配和熱膨脹系數失配。不銹鋼基底與表面形成的金剛石晶格參數差別較大，界面處應力較大。不銹鋼的熱膨脹系數比較大，而金剛石薄膜的熱膨脹系數很小，在不銹鋼表面制備金剛石薄膜從高溫冷卻到室溫時，由于較大的熱膨脹系數差會產生很大的熱應力，導致金剛石薄膜從不銹鋼基底局部脫落或者全部脫落。這些影響因素綜合作用的結果，使得制備的金剛石薄膜不連續、不致密、局部脫落或者完全脫落。這些問題極大地阻礙了金剛石薄膜在不銹鋼產品上的應用。

為了解決不銹鋼表面制備金剛石薄膜存在的這些問題，大多采用在不銹鋼基底與金剛石薄膜之間添加合適過渡層以及添加適量元素的方法。過渡層的選擇有單過渡層和多過渡層。

單過渡層有Cr、Ti、W、Si、氮化物或碳化物等。比如Cr過渡層，具有硬度高，對金剛石浸潤良好，與金剛石有相似的晶格參數和晶體結構等優點。并且能在Cr層和金剛石界面處形成Cr₃C₂和Cr₇C₃等碳化物，有利于金剛石的成核與附著，進而提高了金剛石薄膜的質量，改善結合力；Si過渡層，Si元素可以提高薄膜的抗氧化性和高溫相變，但缺點是金剛石成核位壘高；金屬氮化物涂層主要有TiN涂層和CrN涂層。CrN涂層具有良好的機械性能、優異的摩擦學性能和耐腐蝕性以及相穩定性，比TiN涂層性能更加優良。并且CrN可以與碳依次形成Cr₃C₂、Cr₇C₃、CrC_xM和Cr₂N漸變層。其中Cr₃C₂、Cr₇C₃漸變層與金剛石的熱膨脹系數相近，Cr₂N漸變層與不銹鋼的熱膨脹系數相近，因此可以使熱膨脹系數連續變化。但是CrN涂層在高溫退火時會發生氧化與相變，氧化溫度大約600℃。在HFCVD沉積金剛石時，過渡層的氧化和相變會影響金剛石薄膜的性能。