一種以納米碳材料的熱擴散為預處理的硬質涂層制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種硬質涂層制備方法，特別是一種以納米碳材料的熱擴散為預處理的硬質涂層制備方法。
【背景技術】
[0002]在材料表面制備硬質涂層，可以提高材料的表面強度硬度，耐磨耐腐蝕等性能，可應用在車刀、鉆頭、模具、精密器械等眾多領域。當前硬質涂層的種類多種多樣，例如類金剛石薄膜(DLC)、金剛石薄膜、TiC/TiN薄膜、BN/CBN薄膜等。然而，由于基體材料與硬質涂層之間內(nèi)應力和界面能的存在，在獲得優(yōu)良表面性能同時，硬質涂層與基體材料的結合力問題成為了普遍認為難以解決的技術瓶頸，限制了硬質涂層領域的發(fā)展與應用。
[0003]現(xiàn)有的幾種提高表面涂層結合力的方法主要包括以下幾種方式:
[0004](1)基體材料表面進行物理或化學預處理:在金屬材料或非金屬材料表面制備硬質涂層，結合力主要表面為金屬和金屬間的鍵合或者為機械咬合的方式。工件表面的粗糙度也是影響結合力的關鍵因素，工件表面越粗糙，結合界面就會有更多的應力集中，結合力也就越差，但是為了增加必要的機械咬合力，需要保證表面具有一定的粗糙度。所以，對工件表面進行必要的清潔、打磨及拋光處理，可以增強表面涂層的結合力。采用活化工藝，對基體材料表面進行活化處理，表面吸附的活化中心，可以誘發(fā)后續(xù)的涂層的制備，也能增強表面硬質涂層的結合力。
[0005](2)引入過渡層:涂層內(nèi)應力的性質和大小也是影響涂層結合力的主要因素，內(nèi)應力一般是由涂層和基體的熱膨脹系數(shù)不同，晶體界面晶格匹配度的差異而產(chǎn)生的。由此引起的表面張應力會使表面涂層產(chǎn)生開裂、起皮甚至剝落。在基體表面引入一層或多層的過渡層，使由熱膨脹系數(shù)，晶格匹配度的差異所造成的內(nèi)應力得到緩沖，從而間接提高了表面涂層與基體的結合力。
[0006](3)離子注入技術在基體表面引入合金化元素:在制備涂層之前，在高電壓作用下，通過離子注入，將C、N、Η等元素轟擊到基體材料表層，與基體材料發(fā)生合金化作用。在后續(xù)制備涂層工藝中實現(xiàn)界面的冶金結合，與機械處理方式相比，能顯著提高涂層與基體材料的結合力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是要提供一種提高涂層成核密度，增強硬質涂層和基體材料結合力的以納米碳材料的熱擴散為預處理的硬質涂層制備方法。
[0008]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:硬質涂層制備方法是從固態(tài)熱擴散的角度，在界面處引入第二相粒子，以納米粒子活潑的表面價健和較高的表面能為硬質薄膜/涂層的制備提供更好的表面成核條件，提高成核密度，同時增強硬質涂層和基體材料結合力；硬質涂層制備方法包括納米碳材料的固態(tài)熱擴散處理，預處理基體材料的清潔與刻蝕，硬質涂層的制備；
[0009]所述的納米碳材料的固態(tài)熱擴散處理:
[0010]將金屬或者非金屬塊狀基體材料做初步清潔拋光處理，表面平整，保證無較大劃痕，無油污，無銹跡；采用納米金剛石，碳納米管，碳微纖維，石墨烯，碳球，納米石墨中的一種或多種組合，作為固態(tài)熱擴散的碳源，加入冰晶石、稀土、碳酸鹽、納米石墨、解團聚分散劑中的一種或多種組合，作為助滲劑，在高于金屬奧氏體化溫度30?350°C下進行固態(tài)熱擴散處理；處理過程中需隔絕空氣，在Ar、N2惰性氣體作為保護氣氛的爐腔中進行滲入和擴散處理；根據(jù)所需的滲層深度，參照厚度方向擴散速率0.1?0.5mm/小時，選擇加熱擴散時間；處理完成后，上述碳源進入到基體材料，以第二相粒子的形式存在于基體材料表層，并且從表面到基體材料心部呈梯度遞減分布；經(jīng)過真空/氣氛熱處理后，從表面到基體材料心部，強度硬度呈遞減變化，防止因基體材料強度硬度不夠造成的脫落；
[0011]所述的預處理基體材料的清潔與刻蝕:
[0012]將預處理后的基體材料表面在室溫下進行去污，打磨拋光，酒精/去離子水清洗，超聲波清洗，酸洗/堿洗，腐蝕液刻蝕，和干燥表面處理，使基體材料表面平整、清潔，并且通過4%硝酸酒精等特定腐蝕液的刻蝕將第二相粒子裸露在基體材料的表面；清洗干燥完成后以備后續(xù)硬質涂層的制備；預處理基體材料的清潔與刻蝕工藝使所制備的硬質涂層更容易在基體中的第二相粒子的表面成核，以納米粒子活潑的表面價健和較高的表面能為硬質薄膜/涂層的制備提供更好的表面成核條件，提高了成核密度，同時增強硬質涂層和基體材料結合力；
[0013]所述的硬質涂層的制備:
[0014]以氣體，固體或者液體不同狀態(tài)的物質作為硬質涂層的原料來源，在300?1100°C溫度范圍內(nèi)，低壓，或標準大氣壓的壓強作用下，通入Ar、N2等保護性氣氛條件，通過物理/化學氣相沉積、固態(tài)熱擴散、高能噴涂工藝制備的各種材質的硬質涂層，所述的低壓為 30 ?500Pa。
[0015]有益效果，由于采用了上述方案，該方法從固態(tài)熱擴散的角度，在界面處引入第二相粒子，以納米粒子活潑的表面價健和較高的表面能為硬質薄膜/涂層的制備提供更好的表面成核條件，提高成核密度，提高涂層與基體的結合力。其優(yōu)點有；
[0016]第一，本發(fā)明采用納米碳材料的固態(tài)熱擴散，對基體材料進行預滲處理，使固態(tài)熱擴散的納米尺度的碳源進入到基體材料，以第二相粒子的形式存在于基體材料表面，并且從表面到基體材料心部呈梯度遞減分布。由于納米粒子較高的表面能和活潑的表面價健，能為物理/化學氣相沉積過程提供更高的形核密度，以納米尺度碳源粒子強化和化學鍵強化的耦合作用提高涂層和基體材料的結合力。同時經(jīng)過真空/氣氛熱處理，從表面到基體材料心部，納米級第二相粒子體積濃度的梯度變化使整體材料的強度硬度也呈梯度變化，防止因基體材料和表層硬質涂層的強度、硬度的突變造成的硬質涂層脫落；
[0017]第二，本發(fā)明對上述預處理基體進行清潔與刻蝕處理，使釘扎在基體材料中的第二相粒子裸露在基體表面，進而使后續(xù)所制備的硬質涂層更容易在基體表面裸露的第二相粒子的表面成核，提高了成核密度，同時增強硬質涂層和基體材料結合力。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的工藝流程圖。
[0019]圖2為以納米碳材料為碳源的固態(tài)熱擴散過程示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明采用化學氣相沉積技術制備金剛石/類金剛石薄膜反應過程示意圖。
[0021]圖4為采用本發(fā)明工藝所制備的金剛石/類金剛石薄膜結構示意圖。
[0022]圖中a為納米碳材料涂覆層；b為納米碳材料和助滲劑的混合層；c為基體材料；d為金剛石/類金剛石薄膜。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖中的實施例對本發(fā)明作進一步的說明:
[0024]本發(fā)明的硬質涂層制備方法是從固態(tài)熱擴散的角度，在界面處引入第二相粒子，以納米粒子活潑的表面價健和較高的表面能為硬質薄膜/涂層的制備提供更好的表面成核條件，提高成核密度，同時增強硬質涂層和基體材料結合力；硬質涂層制備方法包括納米碳材料的固態(tài)熱擴散處理，預處理基體材料的清潔與刻蝕，硬質涂層的制備；
[0025]所述的納米碳材料的固態(tài)熱擴散處理:
[0026]將金屬或者非金屬塊狀基體材料做初步清潔拋光處理，表面平整，保證無較大劃痕，無油污，無銹跡；采用納米金剛石，碳納米管，碳微纖維，石墨烯，碳球，納米石墨中的一種或多種組合，作為固態(tài)熱擴散的碳源，加入冰晶石、稀土、碳酸鹽、納米石墨、解團聚分散劑中的一種或多種組合，作為助滲劑，在一定溫度高于金屬奧氏體化溫度30?350°C下進行固態(tài)熱擴散處理；處理過程中需隔絕空氣，在Ar、N^_性氣體作為保護氣氛的爐腔中進行滲入和擴散處理；根據(jù)所需的滲層深度，參照厚度方向擴散速率0.1?0.5mm/小時，選擇加熱擴散時間；處理完成后，上述碳源進入到基體材料，以第二相粒子的形式存在于基體材料表層，并且從表面到基體材料心部呈梯度遞減分布；經(jīng)過真空/氣氛熱處理后，從表面到基體