[发明专利]金刚石表面离子束改性

说明书

本发明所属技术领域：注入冶金学与表面镀敷。

有关离子束材料改性技术简况：本发明人从1970年起从事离子注入设备及材料改性工艺研究，80年后进行注入混合束增强沉积（辅助镀膜）试验，并一直在跟踪国内外有关离子或材料改性的最新技术工艺文献摘要。在此期间，日本等国许多外宾到东北工学院参观拍照由本人构思设计研制的国内首创的“DWY-84A型离子注入与离子束混合两用机”，同时本人对金刚石改性发生兴趣，并逐步完善了改性工艺;但迄今为止尚未从国内外公开发表的文献中见到有关金刚石表面离子束混合或离子束增强沉积（辅助蒸发镀膜）之类的报导。最近，通过Dialog系统检索WDIL世界专利索引和中国专利数据库（检索策略为IC＝C23C-014/18，^＊Diamond及C23C-014/18^＊金刚石），仅发现一篇日本专利JP62139865，其摘要与本专利申请内容相似。但是，日本专利是1987年申请的，仅涉及到离子混合而未能提及离子束辅助镀膜或增强沉积（Ion Beam Assisted Deposition）之类最新学术命题。所以日本专利也未能包括本发明的全部内容。

本发明的目的：为了使自然界最硬的物质-金刚石物尽其用，从根本上改善其与金属（或合金）的结合力，提高其抗压强度和自锐性，从而大大地提高金刚石工具制品的使用寿命和工作效率。

本发明的内容：本发明采用离子注入、离子束混合或离子束增强沉积（辅助镀膜）等高技术，利用机械（或电磁）扫描和搅拌得到均匀改性，再加上等离子体渗透退火，消除辐照损伤。

离子注入和离子束混合采用较高的能量（nfkev），离子束增强沉积（辅助镀膜）可以采用较低的能量（nf至几千ev），剂量约为10¹⁶ions/cm²，（动态）镀膜的沉积速率不必太高，以0.1/S～10/S为宜。

采用反冲注入或静态离子束混合时，金属膜的总厚度应＜5000，采用离子束辅助镀膜（增强沉积）工艺，可以适当提高镀膜的厚度（几μm）见说明书附图。

等离子体处理可以在上述工艺完成后，直接用H₂、N₂等气体进行辉光放电。

本发明的优越性：①离子注入呈非平衡的高斯分布，在近表面形成无明显分界面的活性层，离子束混合或离子束增强沉积，在表面界面附近形成具有中间相或碳（氮）化物的混合过渡层和表面金属化膜，使改性金刚石与金属（或合金）的结合力无以伦比，而常规技术的金刚石镀膜层都容易剥落;②改性金刚石比未改性时的抗压强度通常能提高1～3kgf，甚至更多;③由于载能离子的溅射蚀剂和抛光作用，使金刚石的自锐性得到提高，因而可以提高金刚石工具的磨削效率;④离子种类、能量、剂量和原子沉积速率等参数可控，效率高，无污染。

实现本发明的最好方式：在机械扫描和搅拌的前提下，先在金刚石表面进行低能离子束（几百至几千ev）溅射清洗预处理，然后用较能量的活性离子（如N₂⁺）注入，剂量约为10¹⁶ions/cm²，接着用氮离子对容易形成碳（氮）化物的金属（如Ti，Cr等）进行动态混合;再次用惰性气体离子（如Ar⁺）对与金刚石浸润性较好的合金（如Cu-Sn-Ti）进行离子束增强沉积;最后用氢等离子体对离子束改性金刚石进行渗透退火，消除其辐照损伤。