[发明专利]一种在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法

说明书

本发明提供了一种以Cr/CrN/CrTiAlN为过渡层在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法，所述方法包括：对不锈钢表面进行喷砂处理，采用磁控溅射在经过喷砂处理的不锈钢表面沉积Cr/CrN/CrTiAlN过渡层，采用化学气相沉积方法，在制备的Cr/CrN/CrTiAlN过渡层上沉积金刚石薄膜；本发明以Cr/CrN/CrTiAlN为过渡层，有效阻挡了铁、碳的扩散，提高了形核率，可以在低温度下制备金刚石薄膜，该金刚石薄膜的应力值较小，小于等于1.25GPa，与不锈钢热导率相比，本发明含涂层不锈钢热导率提高3％～11％。

(一)技术领域

本发明涉及一种在不锈钢表面沉积金刚石薄膜的方法，具体涉及一种以Cr/CrN/CrTiAlN为过渡层在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法。

(二)背景技术

金刚石具有优异的物理化学性能，如优异的生物相容性、极高的热导率、极高的硬度、优异的耐磨性和抗腐蚀性能等。不锈钢是一类重要的金属材料，广泛应用于食品行业、医疗器械等方面。将金刚石薄膜沉积在不锈钢表面，可以有效地提高不锈钢的热导率、耐腐蚀性和表面硬度，对提高不锈钢器具的使用寿命，具有重要的意义。但是，在不锈钢表面沉积连续的金刚石薄膜存在如下问题：(1)不锈钢中存在铁、镍元素，在化学气相沉积(CVD)中会催化石墨相的形成，使金刚石膜难以形成；(2)气氛中的碳元素会大量扩散到不锈钢中，导致无法达到金刚石形核的临界碳浓度而难以形成金刚石薄膜；(3)金刚石的热膨胀系数和不锈钢的热膨胀系数相差很大，在CVD工艺的降温阶段，金刚石薄膜中会形成很大的热应力而导致薄膜的脱落。解决这些问题的方法是在不锈钢与金刚石之间引入过渡层。到目前为止，Cr、Si、Al、Al/AlN、CrN和Cr/CrN等已被选为过渡层并进行了相关研究。结果表明，由于热应力过大，在不锈钢表面制备连续致密的金刚石薄膜仍然非常困难。即使获得了连续致密的薄膜，其内部也含有很大的残余应力，存在使用过程中容易脱落和不稳定等问题。因此，开发新的过渡层和工艺，在不锈钢表面制备低应力的连续致密金刚石薄膜具有重要意义。

Cr/CrN/CrTiAlN是一种硬质涂层，具有优异的力学性能(如高硬度和高韧性等)，可以承受大的应力，与钢基体、金刚石膜具有良好的结合力，且热膨胀系数介于不锈钢与金刚石之间，有利于缓解两者间的热应力，有望成为制备连续金刚石薄膜的过渡层。然而到目前为止，尚未见到以此涂层为过渡层的相关文献报道。

一般情况下金刚石薄膜中的内应力由热应力决定，其热应力大小与沉积薄膜时的温度有关。温度越高(即功率越高)，膜中的应力越大，反之越小。因此，要获得低应力的金刚石薄膜需要在低的沉积温度下进行。研究表明，材料中如果含有铝元素，可以有效地提高金刚石的形核率，在低温度下可以沉积出连续致密的金刚石薄膜。而上述的CrTiAlN过渡层中含有一定量的铝元素。因此，采用CrTiAlN过渡层，有利于在低温度下沉积得到连续的金刚石膜，即有利于获得低应力的金刚石膜。但是，如果一直在低温度下沉积金刚石膜，其沉积速率低，并且会造成过渡层碳化反应程度低，引起金刚石/过渡层之间结合力不足，产生薄膜脱落等问题。最近研究表明，薄膜中的应力主要与连续成膜时的温度有关，而与成膜前的形核及核的粗化过程关系不大。鉴于此，本发明提出以Cr/CrN/CrTiAlN为过渡层，调节化学气相沉积金刚石膜时的功率，先在高功率下形成分散的金刚石颗粒，释放其应力并使颗粒与基体之间形成良好的化学键结合；再降低功率继续沉积金刚石膜，降低薄膜中的应力，在不锈钢表面获得低应力的金刚石薄膜。

(三)发明内容

本发明目的是提供一种以Cr/CrN/CrTiAlN为过渡层在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法。

本发明的技术方案如下：

一种以Cr/CrN/CrTiAlN为过渡层在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法，所述方法为：

(1)对不锈钢表面进行喷砂处理，砂子尺寸为50～220目，处理时间为2～20min，喷砂压力为0.05～0.6MPa；

所述不锈钢包括但不限于奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢和铁素体不锈钢等；