一种以纳米碳材料的热扩散为预处理的硬质涂层制备方法技术

本发明专利技术公开了一种以纳米碳材料的热扩散为预处理的硬质涂层制备方法，制备方法包括纳米碳材料的固态热扩散处理，预处理基体材料的清洁与刻蚀，硬质涂层的制备。纳米碳材料的固态热扩散采用纳米级金刚石、碳纳米管、石墨烯、石墨、碳纤维作为碳源，在一定温度下进行固态热扩散处理，使纳米碳源浓度在基体材料的深度方向呈梯度分布；预处理基体材料的清洁与刻蚀包括去污处理、打磨抛光、清洗、腐蚀液刻蚀、干燥使基体材料表面平整、清洁，并且通过特定腐蚀液的刻蚀将纳米级第二相粒子裸露在基体表面；硬质涂层的制备包括以气/液/固体不同形式的物质作为碳源，通过物理/化学气相沉积、固态热扩散、高能喷涂工艺制备的金刚石/类金刚石硬质涂层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种硬质涂层制备方法，特别是一种以纳米碳材料的热扩散为预处理的硬质涂层制备方法。
技术介绍
在材料表面制备硬质涂层，可以提高材料的表面强度硬度，耐磨耐腐蚀等性能，可应用在车刀、钻头、模具、精密器械等众多领域。当前硬质涂层的种类多种多样，例如类金刚石薄膜(DLC)、金刚石薄膜、TiC/TiN薄膜、BN/CBN薄膜等。然而，由于基体材料与硬质涂层之间内应力和界面能的存在，在获得优良表面性能同时，硬质涂层与基体材料的结合力问题成为了普遍认为难以解决的技术瓶颈，限制了硬质涂层领域的发展与应用。现有的几种提高表面涂层结合力的方法主要包括以下几种方式：(1)基体材料表面进行物理或化学预处理：在金属材料或非金属材料表面制备硬质涂层，结合力主要表面为金属和金属间的键合或者为机械咬合的方式。工件表面的粗糙度也是影响结合力的关键因素，工件表面越粗糙，结合界面就会有更多的应力集中，结合力也就越差，但是为了增加必要的机械咬合力，需要保证表面具有一定的粗糙度。所以，对工件表面进行必要的清洁、打磨及抛光处理，可以增强表面涂层的结合力。采用活化工艺，对基体材料表面进行活化处理，表面吸附的活化中心，可以诱发后续的涂层的制备，也能增强表面硬质涂层的结合力。(2)引入过渡层：涂层内应力的性质和大小也是影响涂层结合力的主要因素，内应力一般是由涂层和基体的热膨胀系数不同，晶体界面晶格匹配度的差异而产生的。由此引起的表面张应力会使表面涂层产生开裂、起皮甚至剥落。在基体表面引入一层或多层的过渡层，使由热膨胀系数，晶格匹配度的差异所造成的内应力得到缓冲，从而间接提高了表面涂层与基体的结合力。(3)离子注入技术在基体表面引入合金化元素：在制备涂层之前，在高电压作用下，通过离子注入，将C、N、H等元素轰击到基体材料表层，与基体材料发生合金化作用。在后续制备涂层工艺中实现界面的冶金结合，与机械处理方式相比，能显著提高涂层与基体材料的结合力。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种提高涂层成核密度，增强硬质涂层和基体材料结合力的以纳米碳材料的热扩散为预处理的硬质涂层制备方法。本专利技术的目的是这样实现的：硬质涂层制备方法是从固态热扩散的角度，在界面处引入第二相粒子，以纳米粒子活泼的表面价健和较高的表面能为硬质薄膜/涂层的制备提供更好的表面成核条件，提高成核密度，同时增强硬质涂层和基体材料结合力；硬质涂层制备方法包括纳米碳材料的固态热扩散处理，预处理基体材料的清洁与刻蚀，硬质涂层的制备；所述的纳米碳材料的固态热扩散处理：将金属或者非金属块状基体材料做初步清洁抛光处理，表面平整，保证无较大划痕，无油污，无锈迹；采用纳米金刚石，碳纳米管，碳微纤维，石墨烯，碳球，纳米石墨中的一种或多种组合，作为固态热扩散的碳源，加入冰晶石、稀土、碳酸盐、纳米石墨、解团聚分散剂中的一种或多种组合，作为助渗剂，在高于金属奥氏体化温度30～350℃下进行固态热扩散处理；处理过程中需隔绝空气，在Ar、N2惰性气体作为保护气氛的炉腔中进行渗入和扩散处理；根据所需的渗层深度，参照厚度方向扩散速率0.1～0.5mm/小时，选择加热扩散时间；处理完成后，上述碳源进入到基体材料，以第二相粒子的形式存在于基体材料表层，并且从表面到基体材料心部呈梯度递减分布；经过真空/气氛热处理后，从表面到基体材料心部，强度硬度呈递减变化，防止因基体材料强度硬度不够造成的脱落；所述的预处理基体材料的清洁与刻蚀：将预处理后的基体材料表面在室温下进行去污，打磨抛光，酒精/去离子水清洗，超声波清洗，酸洗/碱洗，腐蚀液刻蚀，和干燥表面处理，使基体材料表面平整、清洁，并且通过4％硝酸酒精等特定腐蚀液的刻蚀将第二相粒子裸露在基体材料的表面；清洗干燥完成后以备后续硬质涂层的制备；预处理基体材料的清洁与刻蚀工艺使所制备的硬质涂层更容易在基体中的第二相粒子的表面成核，以纳米粒子活泼的表面价健和较高的表面能为硬质薄膜/涂层的制备提供更好的表面成核条件，提高了成核密度，同时增强硬质涂层和基体材料结合力；所述的硬质涂层的制备：以气体，固体或者液体不同状态的物质作为硬质涂层的原料来源，在300～1100℃温度范围内，低压，或标准大气压的压强作用下，通入Ar、N2等保护性气氛条件，通过物理/化学气相沉积、固态热扩散、高能喷涂工艺制备的各种材质的硬质涂层，所述的低压为30～500Pa。有益效果，由于采用了上述方案，该方法从固态热扩散的角度，在界面处引入第二相粒子，以纳米粒子活泼的表面价健和较高的表面能为硬质薄膜/涂层的制备提供更好的表面成核条件，提高成核密度，提高涂层与基体的结合力。其优点有；第一，本专利技术采用纳米碳材料的固态热扩散，对基体材料进行预渗处理，使固态热扩散的纳米尺度的碳源进入到基体材料，以第二相粒子的形式存在于基体材料表面，并且从表面到基体材料心部呈梯度递减分布。由于纳米粒子较高的表面能和活泼的表面价健，能为物理/化学气相沉积过程提供更高的形核密度，以纳米尺度碳源粒子强化和化学键强化的耦合作用提高涂层和基体材料的结合力。同时经过真空/气氛热处理，从表面到基体材料心部，纳米级第二相粒子体积浓度的梯度变化使整体材料的强度硬度也呈梯度变化，防止因基体材料和表层硬质涂层的强度、硬度的突变造成的硬质涂层脱落；第二，本专利技术对上述预处理基体进行清洁与刻蚀处理，使钉扎在基体材料中的第二相粒子裸露在基体表面，进而使后续所制备的硬质涂层更容易在基体表面裸露的第二相粒子的表面成核，提高了成核密度，同时增强硬质涂层和基体材料结合力。附图说明图1为本专利技术的工艺流程图。图2为以纳米碳材料为碳源的固态热扩散过程示意图。图3为本专利技术采用化学气相沉积技术制备金刚石/类金刚石薄膜反应过程示意图。图4为采用本专利技术工艺所制备的金刚石/类金刚石薄膜结构示意图。图中a为纳米碳材料涂覆层；b为纳米碳材料和助渗剂的混合层；c为基体材料；d为金刚石/类金刚石薄膜。具体实施方式下面结合附图中的实施例对本专利技术作进一步的说明：本专利技术的硬质涂层制备方法是从固态热扩散的角度，在界面处引入第二相粒子，以纳米粒子活泼的表面价健和较高的表面能为硬质薄膜/涂层的制备提供更好的表面成核条件，提高成核密度，同时增强硬质涂层和基体材料结合力；硬质涂层制备方法包括纳米碳材料的固态热扩散处理，预处理基体材料的清洁与刻蚀，硬质涂层的制备；所述的纳米碳材料的固态热扩散处理：将金属或者非金属块状基体材料做初本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种以纳米碳材料的热扩散为预处理的硬质涂层制备方法，其特征是：硬质涂层制备方法是从固态热扩散的角度，在界面处引入第二相粒子，以纳米粒子活泼的表面价健和较高的表面能为硬质薄膜/涂层的制备提供更好的表面成核条件，提高成核密度，同时增强硬质涂层和基体材料结合力；硬质涂层制备方法包括纳米碳材料的固态热扩散处理，预处理基体材料的清洁与刻蚀，硬质涂层的制备；所述的纳米碳材料的固态热扩散处理：将金属或者非金属块状基体材料做初步清洁抛光处理，表面平整，保证无较大划痕，无油污，无锈迹；采用纳米级金刚石，碳纳米管，碳微纤维，石墨烯，碳球，纳米石墨中的一种或多种组合，作为固态热扩散的碳源，加入冰晶石、稀土、碳酸盐、纳米石墨、解团聚分散剂中的一种或多种组合，作为助渗剂，在高于金属奥氏体化温度30~350℃下进行固态热扩散处理；处理过程中需隔绝空气，在Ar、N2惰性气体作为保护气氛的炉腔中进行渗入和扩散处理；根据所需的渗层深度，参照厚度方向扩散速率0.1~0.5mm/小时，选择加热扩散时间；处理完成后，上述碳源进入到基体材料，以第二相粒子的形式存在于基体材料表层，并且从表面到基体材料心部呈梯度递减分布；经过真空/气氛热处理后，从表面到基体材料心部，强度硬度呈递减变化，防止因基体材料强度硬度不够造成的脱落；所述的预处理基体材料的清洁与刻蚀：将预处理后的基体材料表面在室温下进行去污，打磨抛光，酒精/去离子水清洗，超声波清洗，酸洗/碱洗，腐蚀液刻蚀和干燥表面处理，使基体材料表面平整、清洁，并且通过4%硝酸酒精等特定腐蚀液的刻蚀将第二相粒子裸露在基体材料的表面；清洗干燥完成后以备后续硬质涂层的制备；预处理基体材料的清洁与刻蚀工艺使所制备的硬质涂层更容易在基体中的第二相粒子的表面成核，以纳米粒子活泼的表面价健和较高的表面能为硬质薄膜/涂层的制备提供更好的表面成核条件，提高了成核密度，同时增强硬质涂层和基体材料结合力；所述的硬质涂层的制备：以气体，固体，或者液体等不同状态的物质作为硬质涂层的原料来源，在300~1100℃温度范围内，低压，或标准大气压的压强作用下，通入Ar、N2等保护性气氛条件，通过物理/化学气相沉积、固态热扩散、高能喷涂工艺制备的各种材质的硬质涂层，所述的低压为30~500Pa。...

【技术特征摘要】
1.一种以纳米碳材料的热扩散为预处理的硬质涂层制备方法，其特征是：硬质涂层制备方法是从固态热扩散的角度，在界面处引入第二相粒子，以纳米粒子活泼的表面价健和较高的表面能为硬质薄膜/涂层的制备提供更好的表面成核条件，提高成核密度，同时增强硬质涂层和基体材料结合力；硬质涂层制备方法包括纳米碳材料的固态热扩散处理，预处理基体材料的清洁与刻蚀，硬质涂层的制备；
所述的纳米碳材料的固态热扩散处理：
将金属或者非金属块状基体材料做初步清洁抛光处理，表面平整，保证无较大划痕，无油污，无锈迹；采用纳米级金刚石，碳纳米管，碳微纤维，石墨烯，碳球，纳米石墨中的一种或多种组合，作为固态热扩散的碳源，加入冰晶石、稀土、碳酸盐、纳米石墨、解团聚分散剂中的一种或多种组合，作为助渗剂，在高于金属奥氏体化温度30~350℃下进行固态热扩散处理；处理过程中需隔绝空气，在Ar、N2惰性气体作为保护气氛的炉腔中进行渗入和扩散处理；根据所需的渗层深度，参照厚度方向扩散速率0.1~0.5mm/小时，选择加热扩散时间；处理完成后，上述碳源进入到基体材料，以第二相粒子的形式存在于基体材料表层，并且从表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶庆，王健，赖伟，陈正，沈承金，刘建阳，刘伟，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32