[发明专利]SiC先驱体法制备金刚石涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种涂层的制备方法，尤其是一种超硬涂层的制备方法，具体地说是一种采用SiC为先驱体来制备金刚石涂层的方法。

背景技术

金刚石理想的晶体结构使得它表现出各种优越的物理和化学性能，在20世纪，人类先后掌握了高温高压法合成金刚石技术和低压合成金刚石技术。高温高压法合成的金刚石为离散的单晶粒状态，其主要作为磨料和聚晶金刚石原料使用。低压化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition简称CVD)制备的金刚石为整体的金刚石膜。根据膜的厚度，CVD金刚石膜分为涂层和厚膜两种。由于受到技术上和经济上的制约，聚晶金刚石和CVD金刚石厚膜加工效率很低，研磨抛光困难，很难制造复杂型面的工件，加工制造费用昂贵。

CVD金刚石涂层的基体材料一般相对容易加工，CVD金刚石涂层可以制成形状复杂的工件涂层，是一种应用更广泛的优越的超硬材料和耐磨材料。CVD金刚石涂层在工件上的厚度一般在几微米到几十微米之间。相对于CVD金刚石厚膜，CVD金刚石涂层的沉积时间较短，制备成本较低。目前人们已成功的发展了热丝CVD法、微波等离子CVD、直流等离子喷射等CVD多种CVD金刚石沉积方法。当前限制CVD金刚石涂层发展的主要问题是：①CVD金刚石在非金刚石基体上成核时，由于界面失配等问题，使得成核密度低(一般＜10¹²cm^-2)，CVD金刚石涂层与基体之间的附着性能较差，使用过程中较低的膜/基结合力使得CVD金刚石涂层容易过早剥落，这极大地降低了涂层的使用寿命；②现有的CVD方法制备金刚石涂层时，反应室内适合金刚石生长的空间很小，因而反应室内每批次只能放入少量的基体，制备的工件不同部位的涂层均匀性差，实现金刚石涂层的大面积、规模化制备存在技术障碍，制备效率很低。

发明内容

本发明的目的是针对CVD金刚石涂层与基体之间的附着性能较差及现有CVD法金刚石涂层的制备效率低的问题，发明一种利用SiC为先驱体来制备金刚石涂层的方法。

本发明的技术方案是：

一种SiC先驱体法制备金刚石涂层的方法，其特征是它包括以下步骤：

①基材处理：选择高速钢、硬质合金、金属陶瓷或陶瓷中的一种材料作为基材，采用金刚砂打磨或喷砂方法对基材表面进行处理，使表面粗糙度0.01≤Ra≤0.63微米，然后对基材表面进行去污和清洗处理，最后吹干基材表面水份后放入烘箱烘干备用；

②制备SiC涂层：采用物理气相沉积、化学气相沉积或热喷涂中的一种方法在经过预处理的基材表面沉积厚度均匀、组织致密的SiC涂层，控制SiC涂层的厚度在5～50μm；

③SiC涂层处理：用金刚砂对上述沉积所得的SiC涂层进行表面喷砂处理，喷砂压缩空气的压力0.15～0.2MPa，喷砂所用的金刚砂粒度为150～280目；控制喷砂处理后SiC涂层的表面粗糙度Ra＜0.5μm，表面无毛刺；然后用去离子水对经喷砂处理后的SiC涂层表面进行清洗，用清洁压缩空气吹干SiC涂层表面水份后放入烘箱中烘干；

④金刚石涂层制备：在真空环境下采用Cl₂和H₂的混合气体或Br₂和H₂的混合气体作为转化剂气体制备金刚石涂层，转化剂气体流量比例为Cl₂∶H₂＝1∶95～99或Br₂∶H₂＝1∶95～99；控制真空反应室本体的真空度不超过1Pa，转化反应时反应室转化剂气体的气压为1～3kPa，反应室加热的热源温度1200℃以上，沉积有SiC涂层的基体温度800～1000℃；控制转化后金属石涂层的厚度，使转化的金刚石涂层和基材之间保留1～3μm的SiC涂层未被转化，结束金刚石涂层制备；

⑤金刚石涂层后处理：在真空环境下采用CH₄和H₂混合气体中的还原碳对SiC转化成的金刚石涂层填充增密；填充增密用的气体流量比例为CH₄∶H₂＝1∶98～99，增密反应时反应室CH₄和H₂混合气体的气压为3～5kPa，加热的热源温度2200℃以上，基体温度780～820℃，填充增密时间不少于30min。

所述的金刚石涂层为刀具涂层或高硬度的减摩、耐磨涂层。

所述的基材为SiC时，重复步骤③～⑤即可在SiC表面制备金刚石涂层。

本发明的有益效果：