[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

本发明公开了一种在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：不锈钢样品的前处理：对不锈钢样品进行砂纸打磨，用丙酮进行超声处理，烘干备用；S2：在不锈钢表面沉积Cr/CrSiN薄膜：将S1步骤中的不锈钢样品装入磁控溅射设备的样品台中，将Cr、Si靶材安装到靶座上，在不锈钢基底表面沉积Cr膜及CrSiN薄膜，得到含Cr/CrSiN过渡层的不锈钢样品；S3：在不锈钢表面沉积金刚石薄膜：将S2步骤中得到的含Cr/CrSiN过渡层的不锈钢样品超声种晶，利用热丝CVD进行沉积金刚石薄膜，实现在含Cr/CrSiN为过渡层的不锈钢表面上制备金刚石薄膜。本发明通过采用上述技术，使金刚石膜与不锈钢之间结合力高，在洛氏硬度计150 kg载荷作用下薄膜未发生脱落。

技术领域

本发明涉及了一种在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法，具体涉及一种以Cr/CrSiN为过渡层在不锈钢表面制备具有优异结合力的金刚石薄膜的方法。

背景技术

不锈钢是我们日常生活中应用十分广泛的一种金属材料，但它还存在耐磨性较差和抗酸碱腐蚀能力差等问题。金刚石薄膜具有硬度高、摩擦系数小、耐腐蚀性能优良、导热能力好等众多优良性能。若将金刚石薄膜沉积在不锈钢表面，将会显著提高其使用性能和寿命。

然而，直接在不锈钢表面沉积金刚石薄膜存在以下问题：（1）不锈钢中的Fe、Ni元素具有石墨催化作用，在CVD沉积过程中表面优先形成松软的石墨层，导致金刚石薄膜结合力差，降温过程中薄膜脱落；（2）由于不锈钢中碳的溶解度大，CVD沉积过程中基体表面碳过饱和时间长，金刚石形核率低，难以制备出连续的金刚石薄膜。（3）不锈钢和金刚石薄膜的热膨胀系数差异巨大，导致冷却过程中产生很大的热应力，金刚石薄膜脱落。

目前解决方法是在金刚石与不锈钢之间引入过渡层，过渡层可以分为厚膜和薄膜两种。

目前研究的厚膜有：由渗Cr形成的Cr–C膜（20–25 µm），热喷涂制备的WC–Co膜（200µm），Ni/Cu/Ti膜（3–4/32–36/0.5–2.5 µm, 其中Ni、Cu层通过电镀获得，Ti层通过电弧离子镀获得）和由化学气相沉积制备的W膜（15–45 µm）等。采用这类过渡层可以在不锈钢表面获得结合力较好的金刚石薄膜，但厚度大会引起的基体倒圆和横向断裂强度降低等问题，不适合应用在精密仪器中（如眼科手术用镊子等）。

目前研究的薄膜有Al（80 nm）、Al (30 nm) /W (20 nm)、Cr (0.2 µm) /CrN (1.6µm)等，采用此类薄膜作为过渡层可以在表面获得厚度较薄的金刚石薄膜，适合应用在精密仪器中，但仍然存在结合力不足的问题。因此，在整体薄膜厚度要求比较薄的条件下，在不锈钢表面制备高结合力的金刚石薄膜仍然非常困难。

公开号为CN107740068A的中国发明专利，公开了一种在不锈钢表面沉积金刚石薄膜的新方法，可以在不锈钢表面获得结合力较好的金刚石薄膜。但在该专利中CrSiN中的氮气和氩气比为0.23–0.35比较低，过渡层中的纳米晶以Cr相为主。过渡层由非晶SiN_x相和纳米晶组成，如果提高氮气和氩气比，过渡层中的纳米晶以铬氮化合物（CrN_x或CrN或Cr₂N）为主，由于铬氮化合物和非晶SiN_x相都具有良好的阻隔C、Fe互扩散能力，且过渡层碳化形成的碳化物与金刚石薄膜和过渡层都有很好的结合力，有可能制备出高结合力的金刚石薄膜。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供了一种以Cr/CrSiN为过渡层在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法，所得到的金刚石薄膜结合力优异。

所述一种在不锈钢表面制备金刚石薄膜的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：不锈钢样品的前处理：对不锈钢样品进行砂纸打磨，用丙酮进行超声处理，烘干备用；