钢基CVD 金刚石薄膜的制备、微结构及其机械性能的研究

2012-12-25 魏秋平中南大学材料科学与工程学院

魏秋平1, 2 余志明1, 2

(1.中南大学材料科学与工程学院长沙 410083;2.中南大学粉末冶金国家重点实验室长沙 410083)

　　摘要金刚石具有最高的硬度、极高的耐磨和抗腐蚀性、极低的摩擦系数，这些特性使CVD 金刚石膜成为加工工具和耐磨零件的最佳防护涂层材料之一。由于这些工件的失效通常始于表层，金刚石膜涂层钢基工具能有效提高工件的使用寿命和加工性能，可实现高效、高速、高精度加工。尽管市场潜力巨大，但是金刚石膜涂层钢基工件的实际应用却一直受到某些因素的制约，主要是由于Fe 具有高溶碳性、催生石墨相和高热膨胀系数等特点，使得在钢基工件表面难以直接获得高质量、高结合强度的CVD 金刚石膜。解决上述问题的关键在于找到某种中间过渡层，既能保证金刚石膜的高形核率和高质量，又同时可以保证金刚石膜/过渡层和过渡层/基体两个界面具有良好的结合强度。

　　基于这一原则，本文首先以化学热处理表面改性法作为切入点，发现高速工具钢经渗铬热处理后能在基体表面形成一层富Cr层，该处理能显著提高金刚石膜的形核密度，在优化工艺条件下能获得平滑致密、质量良好的金刚石薄膜，但是，低载荷压痕测试表明膜-基结合强度仍然不够理想。此后，本文将研究重点转向通过其他方式寻找合适的中间过渡层隔离Fe 元素。

　　首先，采用反应磁控溅射技术在高速工具钢基体上制备了W-C 梯度过渡层，并研究了该过渡层对CVD 金刚石薄膜的影响，最终发现反应溅射W-C 梯度过渡层能有效提高CVD 金刚石薄膜的形核率，但是，由于高温CVD 过程中W-C 过渡层的物相转变和钢基很高的热膨胀系数，该过渡层体系无法彻底解决附着性能差的问题。为了有效改善中间层与基体和金刚石膜的匹配问题，使中间层在机械、热膨胀、耐腐蚀性能方面起到良好的过渡作用，在W-C 体系中引入少量金属粘结相Co，即，选用WC-Co 作为中间过渡层，以便改善过渡层与基体的结合强度和抗热震性。

　　因此，我们采用热喷涂技术在高碳钢基体上制备了WC-Co 中间过渡层，并根据前期的摸索选用合适的WC-Co 二步法预处理工艺，在钢基上获得了高质量、高附着性能的金刚石膜。在附着性能方面取得较大突破之后，为了提高Diamond/WC-Co/Steel 体系在腐蚀环境下的抗磨损寿命，采用了沉积参数呈周期性变化的时间调制CVD 制备了金刚石膜，有效地提升了Diamond/WC-Co/Steel 体系经过3.5 mol/L NaCl 溶液电化学腐蚀后的抗摩擦磨损性能。

　　通过本文的研究，在钢基上CVD 金刚石薄膜的机械和耐腐蚀性能方面取得了明显的突破，将有利于推动这种具有优良性能的耐磨涂层体系的工业化应用。

　　关键词化学气相沉积金刚石钢基体过渡层附着性能