[发明专利]一种超硬自润滑金刚石/类金刚石复合多层涂层材料及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有超硬自润滑特性的金刚石/类金刚石复合多层涂层材料及制备方法， 属于材料制备及应用技术领域。

背景技术

金刚石在自然界物质中具有最高的硬度、优异的力学性能，最高的热导率和极佳的化学 稳定性，因此是非常理想的工具涂层材料。

类金刚石是指一种含有较高sp³成分、性能非常类似于金刚石的非晶碳膜，具有极其优异 的性能，如低摩擦系数、自润滑抗磨性能、高耐腐蚀性、高电阻率和良好的生物相容性等， 具有非常广泛的应用前景。

但是，金刚石的晶体为完善的四面体结构，金刚石薄膜残余应力大，抗磨损性能受到限 制，而类金刚石薄膜硬度相对较低，耐磨性能也需要提高，利用二者组成相同和结构相似性 的特点，将金刚石薄膜的高硬度和类金刚石薄膜的自润滑性能相结合提高材料磨损性能，是 这类材料改性的重要思路。基于复合涂层在性能上的优越性，开发新型的金刚石/类金刚石复 合涂层沉积技术，制备出具有超硬、自润滑特性的金刚石/类金刚石复合涂层对工具涂层在苛 刻服役条件下的应用具有重要意义。

经过几十年的研究，人工合成金刚石和类金刚石成膜技术的不断发展为工具耐磨涂层的 研究与应用开辟了崭新的方向。复合涂层设计理论通过集合各单层材料的结构和性能于一体， 可开发出综合性能优异的新型涂层材料。由于金刚石和类金刚石在组成、结构和性能上的相 似性，已有科研工作者着力于金刚石和类金刚石复合涂层的研究上，如采用类金刚石膜作为 基体预处理层，促进金刚石涂层的形核和生长；采用多元金属元素掺杂类金刚石膜作为过渡 层，改善金刚石涂层的附着力；在类金刚石非晶碳基中掺入纳米金刚石晶粒形成复相，提高 类金刚石涂层的硬度和抗磨损性能。目前还未见到金刚石作为硬膜主体、表层覆盖自润滑特 性的类金刚石复合涂层的文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种具有超硬自润滑特性的金刚石/类金刚石复合涂层材料及制备 方法，该方法采用热丝化学气相沉积和磁过滤真空阴极电弧沉积相结合的方法制备金刚石/类 金刚石复合涂层。该方法具有工艺简单、合成条件精确可控、成膜质量高、产品收率高、成 本低廉等优点，所获得的金刚石/类金刚石复合涂层材料具有超高硬度、极低摩擦因数和极低 磨损率，体现出优异的自润滑抗摩擦磨损性能。

本发明提出的金刚石/类金刚石复合涂层材料及制备方法，其特征在于，所述方法采用热 丝化学气相沉积在预处理过的硬质合金基体上合成超高硬度、晶形良好的金刚石作为复合涂 层的主体，再利用磁过滤真空阴极电弧在金刚石主体上沉积的类金刚石薄膜作为自润滑表层， 包括以下步骤：

(1)对基体材料(高速钢、不锈钢、硬质合金、金属陶瓷等)进行适当的机械加工，做 成完全符合工业使用标准(包括精密度和几何尺寸等)的工具或模具形状。

(2)对工具或者模具基体依次进行自来水、酒精等有机混合溶剂、酸-碱处理液、高纯 水-超声波、丙酮-超声波等多步清洗和预处理，然后晾干，备用。

(3)将清洗和预处理后的基体放入热丝CVD沉积装置真空室中，先利用热丝CVD沉 积一定厚度的过渡层以增强涂层附着力；随后，采用含碳气源和氢气作为工作气体沉积金刚 石薄膜；

(4)将沉积有金刚石膜的基体放入磁过滤阴极电弧真空室中，抽真空到本底真空度，先 用氩离子轰击清洗表面吸附的杂质，然后溅射沉积一层过渡层，再利用石墨靶作为碳源，电 弧烧蚀产生C⁺离子，C⁺离子在负偏压作用下沉积得到一定厚度的类金刚石薄膜作为自润滑表 层。

在上述制备方法中，所述步骤(1)中的基体为高速钢、不锈钢、硬质合金、金属陶瓷之 中的一种。

在上述制备方法中，所述步骤(2)中酸碱处理液分别为HF+HNO₃+HAc(摩尔比1∶1∶1) 混合酸和K₃(Fe(CN)₆)+KOH(质量比1∶1)混合碱溶液，且先进行碱处理对基体材料进行表面 粗糙化，然后进行酸处理除去基体表面的杂质。

在上述制备方法中，所述步骤(3)中的热丝可以为钨丝、钽丝和铼丝中的一种，使用前 均进行碳化处理。

在上述制备方法中，所述步骤(3)中的过渡层为SiC、SiCN、TiC、TiN中的任何一种。