一种金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层的制备方法，先用有机粘结剂将金刚石颗粒均匀粘在工件表面，后采用双辉等离子体表面合金化法，选用能够与碳反应生成碳化物的金属为靶材，去除粘结剂的同时在粘有金刚石颗粒的工件表面制备金刚石/金属渗镀层，随后借助双辉离子轰击处理使渗镀层表层的金刚石颗粒部分裸露在外，最后利用化学气相沉积法使裸露的金刚石颗粒长大，并将渗镀层中的金属转化为金属碳化物，最终形成金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层。本发明专利技术复合耐磨涂层与工件间界面冶金结合且成分梯度分布，综合了金刚石的硬度高、耐磨性好以及金属碳化物抗氧化性好等优异性能，大幅度提高了涂层与合金工件间的结合强度和耐磨性能。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层的制备方法
本专利技术涉及一种金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层的制备方法，属于表面耐磨强化

技术介绍
工业生产过程中，磨损失效是机械设备和零部件的主要失效形式之一，不仅造成大量的材料和部件浪费，更可能直接导致严重的经济损失甚至人员伤亡。材料的表面形态和性能对工件的耐磨损性能影响很大，一般会通过各种表面强化技术，如涂覆耐磨涂层、提高工件的表面耐磨性。利用化学气相沉积技术在工件表面涂覆连续的金刚石涂层，是研究表面耐磨强化的热点方法之一。但是，由于金刚石与制造工件的金属材料间存在较大的热膨胀系数，制备的金刚石涂层与工件会产生较高的界面应力，使用过程中容易沿界面产生裂纹，甚至剥落失效；此外，金刚石韧性差、易氧化等缺点，也会降低涂层的使用性能。中国专利申请号201610687650.7提出了金刚石/金属碳化物复合涂层及其制备方法和应用，通过先在基体表面依次沉积微米晶金刚石涂层和纳米晶金刚石涂层（进行至少一次），后采用真空热镀法在金刚石表面沉积一层金属层并进行热处理，制备金刚石/金属碳化物复合涂层；然而，此专利技术中涂层/工件材料间热膨胀系数差异造成的界面应力问题仍然存在；金属碳化物层仅存在于最外侧的纳米晶金刚石涂层表层，使用过程中易优先磨损失效。此外，对真空热镀金属层的工艺参数要求控制精度较高，若制备的金属碳化物层较薄，使用过程中易磨损失效；反之，若制备的金属层厚度较厚，热处理后金属碳化不完全，会在制备的涂层最外侧的表层残留软质的金属层，影响涂层的耐磨性。除上述方法外，利用电镀、化学镀、钎焊、等离子堆焊及激光熔覆等方法在工件表面一层包含金刚石颗粒的复合耐磨涂层，是目前工业应用较广的表面耐磨强化方法之一。但是，电镀和化学镀法仅将金刚石颗粒机械包嵌于涂层的黏结相中，金刚石与黏结相界限明显，未能形成高强度的化学键合，使用过程中耐磨颗粒易拔出脱落，导致涂层失效；钎焊法多采用抛洒的方式将金刚石颗粒铺于工件表面，均匀性难以保证，且使用的金刚石颗粒一般较大，无法满足高精度加工需求；而等离子堆焊和激光融覆等方法多采用镍基、钴基、铜基或银基等金属粉末作为黏结相，这些金属不能与金刚石反应形成高强度的化学键合，且会在制备的涂层中容易形成不耐磨的软质点。中国专利申请号201710104441.X提出了一种多层钎焊金刚石工具及其制备方法，通过将金刚石颗粒、骨架颗粒、合金钎料粉末和胶黏剂混合的糊状物复合在基体表面，加热固化后，用真空钎焊法制备多层钎焊金刚石工具。然而，此专利技术采用的合金钎料为银基、铜基和镍基活性钎料的一种或多种，其主要成分为金属（银、铜或镍）、金属固溶体及少量碳化物，这些钎料中的金属硬度低且热稳定性较差，在使用过程中容易形成软质点或氧化失效；此外，所制备的多层金刚石复合层中含有大量微小气孔，在使用过程中易成为应力集中点，造成涂层耐磨性能降低。综上所述，目前制备金刚石涂层或金刚石复合耐磨涂层的制备方法均存在以下一种或几种问题：（1）涂层/基体热膨胀系数差异造成的界面应力集中；（2）金刚石颗粒仅物理嵌在金属相中，容易脱落；（3）存在软质的金属相。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种高结合强度的金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层的制备方法。本专利技术的原理为：首先，利用振荡筛抛洒在涂有有机粘结剂的工件表面，可保证涂层中金刚石颗粒分布的均匀性；随后，利用双辉等离子体表面合金化法使金属扩渗进入金属工件表层，在涂层与工件表面间形成冶金结合的金属梯度扩散结构界面，可以避免界面突变造成的应力问题，获得高结合强度的金刚石/金属渗镀层；然后，利用双辉离子轰击处理除去覆盖在金刚石颗粒表面的金属，使其表面裸露出来为金刚石沉积提供形核点；最后，利用化学气相沉积法使裸露的金刚石颗粒长大，同时气氛中的碳元素扩渗进入渗镀层，将软质的金属转化为硬度高且耐磨性好的碳化物，并将金属梯度扩散结构界面转化为金属碳化物梯度扩散结构界面，保持高强度的冶金结合，由此获得具有高结合强度、高耐磨性能的金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层。本专利技术制备的复合耐磨涂层综合了金刚石的硬度高、耐磨性好以及金属碳化物抗氧化性等优异性能，满足工件表面耐磨强化的应用需求。本专利技术提供了一种金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层的制备方法，首先使用有机粘结剂将金刚石颗粒均匀粘附在工件材料表面；然后采用双辉等离子体表面合金化法，选用能够与碳反应生成碳化物的金属为靶材，去除粘结剂的同时在粘附有金刚石粉的工件表面制备金刚石/金属渗镀层；再借助双辉离子轰击处理使渗镀层表层的金刚石颗粒部分裸露在外；最后利用化学气相沉积法使裸露的金刚石颗粒长大，并将渗镀层中的金属转化为金属碳化物，最终在工件表面形成具有高结合强度、高耐磨性能的金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层。本专利技术提供的金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层的制备方法，具体包括以下步骤：（1）粘附金刚石颗粒：先清洁工件表面，去除表面污垢及氧化膜，然后将有机粘结剂均匀地涂在工件表面，随后利用震荡筛将金刚石颗粒抛洒在涂有有机粘结剂的工件表面，使金刚石颗粒均匀地粘在工件表面，最后在80~200℃干燥箱中烘干；所述金刚石颗粒的晶粒尺寸范围为1nm~100μm。所述制造工件的材料包括硬质合金、不锈钢、钛或钛合金、镁或镁合金、铝或铝合金、铜或铜合金、高熵合金中的一种。（2）制备金刚石/金属渗镀层：将表面粘附金刚石颗粒的工件置于双辉等离子体表面合金化装置的样品台上，选用能够与碳反应生成碳化物的金属为靶材，并控制工件上表面与靶材下表面之间的距离10~40mm，待装置的的背底真空抽至0.01Pa以下时，通入氩气，气体流量为20~150sccm，调节装置内的气压值到30~350Pa，打开源极和阴极电源，将阴极电压调整至200~600V，同时调整源极电压，使其高于阴极电压100~400V，工件温度维持在600~1200℃，对工件表面进行金属渗镀处理，时间为0.5~3h，渗镀完成后随炉冷却，在工件表面获得金刚石/金属渗镀层；所述能够与碳反应生成碳化物的金属包括W、Mo、Ti、Ta、Cr、Hf、Nb、Zr、Re、V中的一种或几种。（3）双辉离子轰击处理：渗镀结束后保持氩气的通入流量不变，将源极和阴极电压值反转，即源极电压调整至200~600V，同时调整阴极电压，使其高于源极电压100~400V，控制工件温度仍保持在600~1200℃，对制备的渗镀层进行双辉离子轰击处理，时间为1~60min，将覆盖在表层金刚石颗粒表面的金属去除，处理完成后随炉冷却，得到表层金刚石颗粒部分裸露在外的金刚石/金属渗镀层；（4）制备金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层：采用化学气相沉积法以由氢气和含碳气体组成的混合气体或由氢气、氩气和含碳气体组成的混合气体为先驱体，使裸露于渗镀层表面之外的金刚石颗粒长大，同时将渗镀层中的金属转化为金属碳化物，在工件表面获得金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层；所述的含碳气体包括CH4、C2H2、C3H8中的一种。所述的化学气相沉积法包括热丝化学气相沉积法、直流电弧等离子体喷射化学气相沉积法、微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：首先使用有机粘结剂将金刚石颗粒均匀粘附在工件材料表面；然后采用双辉等离子体表面合金化法，选用能够与碳反应生成碳化物的金属为靶材，去除粘结剂的同时在粘附有金刚石粉的工件表面制备金刚石/金属渗镀层；再借助双辉离子轰击处理使渗镀层表层的金刚石颗粒部分裸露在外；最后利用化学气相沉积法使裸露的金刚石颗粒长大，并将渗镀层中的金属转化为金属碳化物，最终获得金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于包括以下步骤：首先使用有机粘结剂将金刚石颗粒均匀粘附在工件材料表面；然后采用双辉等离子体表面合金化法，选用能够与碳反应生成碳化物的金属为靶材，去除粘结剂的同时在粘附有金刚石粉的工件表面制备金刚石/金属渗镀层；再借助双辉离子轰击处理使渗镀层表层的金刚石颗粒部分裸露在外；最后利用化学气相沉积法使裸露的金刚石颗粒长大，并将渗镀层中的金属转化为金属碳化物，最终获得金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层。


2.根据权利要求1所述金刚石/金属碳化物复合耐磨涂层的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）粘附金刚石颗粒：先清洁工件表面，去除表面污垢及氧化膜，然后将有机粘结剂均匀地涂在工件表面，随后利用震荡筛将金刚石颗粒抛洒在涂有有机粘结剂的工件表面，使金刚石颗粒均匀地粘在工件表面，最后在80~200℃干燥箱中烘干；
（2）制备金刚石/金属渗镀层：将表面粘附金刚石颗粒的工件置于双辉等离子体表面合金化装置的样品台上，选用能够与碳反应生成碳化物的金属为靶材，并控制工件上表面与靶材下表面之间的距离10~40mm，待装置的的背底真空抽至0.01Pa以下时，通入氩气，气体流量为20~150sccm，调节装置内的气压值到30~350Pa，打开源极和阴极电源，将阴极电压调整至200~600V，同时调整源极电压，使其高于阴极电压100~400V，工件温度维持在600~1200℃，对工件表面进行金属渗镀处理，时间为0.5~3h，渗镀完成后随炉冷却，在工件表面获得金刚石/金属渗镀层；
（3）双辉离子轰击处理：渗镀结束后保持氩气的通入流量不变，将源极和阴极电压值反转，即源极电压调整至200~6...

【专利技术属性】
技术研发人员：黑鸿君，于盛旺，高洁，申艳艳，马永，周兵，吴艳霞，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14