鋼基CVD 金剛石薄膜的制備、微結構及其機械性能的研究

魏秋平1, 2 余志明1, 2

(1.中南大學 材料科學與工程學院 長沙 410083;2.中南大學 粉末冶金國家重點實驗室 長沙 410083)

　　摘要 金剛石具有最高的硬度、極高的耐磨和抗腐蝕性、極低的摩擦系數，這些特性使CVD 金剛石膜成為加工工具和耐磨零件的最佳防護涂層材料之一。由于這些工件的失效通常始于表層，金剛石膜涂層鋼基工具能有效提高工件的使用壽命和加工性能，可實現高效、高速、高精度加工。盡管市場潛力巨大，但是金剛石膜涂層鋼基工件的實際應用卻一直受到某些因素的制約，主要是由于Fe 具有高溶碳性、催生石墨相和高熱膨脹系數等特點，使得在鋼基工件表面難以直接獲得高質量、高結合強度的CVD 金剛石膜。解決上述問題的關鍵在于找到某種中間過渡層，既能保證金剛石膜的高形核率和高質量，又同時可以保證金剛石膜/過渡層和過渡層/基體兩個界面具有良好的結合強度。

　　基于這一原則，本文首先以化學熱處理表面改性法作為切入點，發現高速工具鋼經滲鉻熱處理后能在基體表面形成一層富Cr層，該處理能顯著提高金剛石膜的形核密度，在優化工藝條件下能獲得平滑致密、質量良好的金剛石薄膜，但是，低載荷壓痕測試表明膜-基結合強度仍然不夠理想。此后，本文將研究重點轉向通過其他方式尋找合適的中間過渡層隔離Fe 元素。

　　首先，采用反應磁控濺射技術在高速工具鋼基體上制備了W-C 梯度過渡層，并研究了該過渡層對CVD 金剛石薄膜的影響，最終發現反應濺射W-C 梯度過渡層能有效提高CVD 金剛石薄膜的形核率，但是，由于高溫CVD 過程中W-C 過渡層的物相轉變和鋼基很高的熱膨脹系數，該過渡層體系無法徹底解決附著性能差的問題。為了有效改善中間層與基體和金剛石膜的匹配問題，使中間層在機械、熱膨脹、耐腐蝕性能方面起到良好的過渡作用，在W-C 體系中引入少量金屬粘結相Co，即，選用WC-Co 作為中間過渡層，以便改善過渡層與基體的結合強度和抗熱震性。

　　因此，我們采用熱噴涂技術在高碳鋼基體上制備了WC-Co 中間過渡層，并根據前期的摸索選用合適的WC-Co 二步法預處理工藝，在鋼基上獲得了高質量、高附著性能的金剛石膜。在附著性能方面取得較大突破之后，為了提高Diamond/WC-Co/Steel 體系在腐蝕環境下的抗磨損壽命，采用了沉積參數呈周期性變化的時間調制CVD 制備了金剛石膜，有效地提升了Diamond/WC-Co/Steel 體系經過3.5 mol/L NaCl 溶液電化學腐蝕后的抗摩擦磨損性能。

　　通過本文的研究，在鋼基上CVD 金剛石薄膜的機械和耐腐蝕性能方面取得了明顯的突破，將有利于推動這種具有優良性能的耐磨涂層體系的工業化應用。

　　關鍵詞 化學氣相沉積 金剛石 鋼基體 過渡層 附著性能