一種在不銹鋼表面制備金剛石薄膜的方法
【專利說明】
(一)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種在不銹鋼表面制備連續(xù)、附著力良好的金剛石薄膜的方法。
(二)
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石薄膜作為涂層材料可用于眾多領(lǐng)域，由于被涂覆件基底材料的不同，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)薄膜制備的難易程度不同。在以硬質(zhì)合金為基體材料的切削刀具表面沉積金剛石薄膜比較容易，因而國內(nèi)外已實(shí)現(xiàn)金剛石涂層在切削刀具領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]然而，在以不銹鋼為基體材料的醫(yī)療器械表面卻難以實(shí)現(xiàn)金剛石涂層的制備，其難點(diǎn)有兩個:一是鐵基材料易于催化石墨的形成，不利于金剛石的形核與生長；二是不銹鋼與金剛石之間存在巨大的熱膨脹系數(shù)差，導(dǎo)致殘余熱應(yīng)力的產(chǎn)生，從而嚴(yán)重影響金剛石薄膜與基體間的結(jié)合強(qiáng)度。這兩個難點(diǎn)阻礙了金剛石涂層在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用，如果能夠克服這兩個難點(diǎn)，那么金剛石涂層在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用就能夠得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明擬在不銹鋼基底上制備連續(xù)、較好附著強(qiáng)度的金剛石薄膜，對于實(shí)現(xiàn)金剛石涂層在醫(yī)療器械領(lǐng)域的應(yīng)用具有重大的實(shí)際意義。
(三)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種在不銹鋼表面制備連續(xù)、附著力良好的金剛石薄膜的方法。
[0005]本申請利用直流磁控濺射技術(shù)在不銹鋼表面沉積鉻過渡層，然后采用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)在其上制備連續(xù)、較好附著強(qiáng)度的微晶金剛石薄膜。
[0006]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種在不銹鋼表面制備金剛石薄膜的方法，所述方法包括以下步驟:(I)利用直流磁控濺射技術(shù)在不銹鋼表面沉積連續(xù)致密的鉻過渡層；(2)采用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)在步驟(I)獲得的鉻過渡層表面制備金剛石薄膜。
[0008]本發(fā)明制備的金剛石薄膜，厚度約為10-15 μ m。
[0009]進(jìn)一步，所述步驟(I)優(yōu)選按以下方法操作:
[0010]將不銹鋼片用丙酮超聲震蕩清洗、干燥后作為基底材料，將基底材料放入離子鍍膜設(shè)備中制備鉻過渡層，濺射功率130?200W(優(yōu)選200W)，濺射時間10?60min (優(yōu)選1min)，獲得鍍有鉻過渡層的不銹鋼片；
[0011]所述步驟(2)優(yōu)選按以下方法操作:
[0012](a)將鍍有鉻過渡層的不銹鋼片經(jīng)丙酮漂洗、干燥后作為襯底，放入熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，以丙酮為碳源，采用氫氣鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，在碳化熱處理?xiàng)l件A下進(jìn)行過渡層預(yù)先碳化熱處理10?50min (優(yōu)選25min);其中碳化熱處理?xiàng)l件A為:功率為1500-2000W，熱絲與襯底的距離為10-20mm，襯底溫度600?800°C (優(yōu)選650°C )，壓力為1.63Kpa，碳源與氫氣流量比為80:200，偏壓3-4A ;制得碳化熱處理的不銹鋼片；
[0013](b)將步驟(a)獲得的碳化熱處理的不銹鋼片取出，放入金剛石微粉的丙酮懸濁液中超聲震蕩60?150min后、置于丙酮中漂洗、取出干燥，得到種晶后的不銹鋼片；
[0014](c)將步驟(b)獲得的種晶后的不銹鋼片作為襯底，再放回?zé)峤z化學(xué)氣相沉積設(shè)備中進(jìn)行金剛石形核，在形核參數(shù)條件B下形核20-30min(優(yōu)選20min)，所述形核參數(shù)條件B的參數(shù)條件與步驟(a)的碳化熱處理?xiàng)l件A相同；金剛石形核后的不銹鋼片再于生長參數(shù)條件C下進(jìn)行薄膜生長，生長時間為30?120min (優(yōu)選120min)，所述生長參數(shù)條件C中，壓力為2_4Kpa(優(yōu)選3KPa)，其余參數(shù)與步驟(a)的碳化熱處理?xiàng)l件A相同；薄膜生長結(jié)束后，降溫冷卻，從而在不銹鋼基底上制備獲得厚度為10-15 μπι的金剛石薄膜。
[0015]進(jìn)一步，優(yōu)選步驟(a)中，碳化熱處理?xiàng)l件A為:功率為1600W，熱絲與襯底的距離為15mm，襯底溫度650°C，壓力為1.63Kpa，碳源與氫氣流量比為80:200，偏壓3A。
[0016]優(yōu)選步驟(b)中，超聲震蕩時間為90min ；
[0017]優(yōu)選步驟(c)中，生長參數(shù)條件C中，除壓力為3Kpa外，其余均與碳化熱處理?xiàng)l件A相同；
[0018]本發(fā)明所述的不銹鋼可以為任意型號的不銹鋼，如302、304不銹鋼均可。
[0019]本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在:(I)采用鉻過渡層經(jīng)熱絲化學(xué)氣相沉積方法成功在不銹鋼基底上制備出連續(xù)致密的金剛石薄膜，且薄膜完全沒有脫落；(2)制備的薄膜具有較好的附著力，為實(shí)現(xiàn)金剛石涂層在以不銹鋼為基材的產(chǎn)品(如醫(yī)療器械)上的應(yīng)用提供了技術(shù)上的可能，具有較高的應(yīng)用價值。
(四)
【附圖說明】
[0020]圖1為功率在1600W條件下沉積2h制備得到的金剛石薄膜的Raman光譜圖。
[0021]圖2為功率在1600W條件下沉積2h制備得到的金剛石薄膜表面的掃描電鏡(SEM)照片，放大倍數(shù)為1500倍。
[0022]圖3為功率在1600W條件下沉積2h制備得到的金剛石薄膜表面的掃面電鏡(SEM)照片，放大倍數(shù)為5000倍。
[0023]圖4為功率在1600W條件下沉積2h制備得到的金剛石薄膜斷面的掃面電鏡(SEM)照片。
(五)
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步描述，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于此:
[0025]實(shí)施例1:
[0026]利用直流磁控濺射技術(shù)在304不銹鋼基底上沉積鉻過渡層，再采用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備金剛石薄膜。具體方法為:將304不銹鋼片用丙酮超聲震蕩清洗5min后干燥作為基底材料，將其放入離子鍍膜設(shè)備(JGP-450型快速離子鍍膜儀)腔室中鍍鉻膜lOmin，鍍膜功率200W ;將鍍鉻后的不銹鋼片經(jīng)丙酮漂洗、干燥后放入熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備(JUHF CVD 001熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備)腔室中，以丙酮為碳源，采用氫氣鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，在熱處理?xiàng)l件A下，650°C熱處理25min (其中熱處理?xiàng)l件A為:功率為1600W，熱絲與基底高度為15mm，壓力為1.63Kpa，碳源與氫氣流量比為80:200，偏壓3A)；然后取出將其放入金剛石微粉的丙酮懸濁液當(dāng)中超聲震蕩種晶90min，再置于丙酮中漂洗、取出干燥得到種晶后的不銹鋼片；將種晶后的不銹鋼片放回?zé)峤z化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，形核參數(shù)條件B下，650°C進(jìn)行金剛石形核20min，所述形核參數(shù)條件B的參數(shù)條件與碳化熱處理?xiàng)l件A相同；形核后，在生長參數(shù)條件C下，650°C進(jìn)行金剛石薄膜的生長2h (其中生長參數(shù)條件C除壓力為3Kpa外，其余參數(shù)與碳化熱處理?xiàng)l件A相同)；沉積結(jié)束后，降溫冷卻，從而在不銹鋼基底上制備獲得了連續(xù)的金剛石薄膜。
[0027]圖1為薄膜樣品的Raman光譜圖，圖譜表明在1332cm 1處出現(xiàn)了金剛石特征峰，此外還出現(xiàn)了與石墨和非晶碳相關(guān)的峰，證明薄膜主要由金剛石、非晶碳和石墨組成。圖2為不銹鋼基底上金剛石薄膜表面的掃描電鏡(SEM)照片，薄膜連續(xù)致密；圖3為高倍數(shù)下金剛石薄膜表面的掃描電鏡(SEM)照片，可見薄膜是由金剛石晶粒組成；圖4為膜基界面的斷面SEM圖，可知薄膜的厚度約為15 μπι，界面處基底和金剛石薄膜間難以觀察到明顯的過渡層，可知過渡層已與膜基成為一體，此外由斷面SEM圖看出，在剪切應(yīng)力(試樣由剪刀剪斷制得)作用下薄膜依然未脫落且與基底結(jié)合緊密，綜合這些現(xiàn)象初步證明基底、過渡層、薄膜間結(jié)合力良好。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種在不銹鋼表面制備金剛石薄膜的方法，其特征在于所述方法包括以下步驟:(1)利用直流磁控濺射技術(shù)在不銹鋼表面沉積連續(xù)致密的鉻過渡層；(2)采用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)在步驟(1)獲得的鉻過渡層表面制備金剛石薄膜。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(1)按以下方法操作: 將不銹鋼片用丙酮超聲震蕩清洗、干燥后作為基底材料，將基底材料放入離子鍍膜設(shè)備中制備鉻過渡層，濺射功率130?200W，濺射時間10?60min，獲得鍍有鉻過渡層的不銹鋼片。3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述濺射功率為200W，濺射時間為lOmin。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟(2)按以下方法操作: (a)將鍍有鉻過渡層的不銹鋼片經(jīng)丙酮漂洗、干燥后作為襯底，放入熱絲化學(xué)氣相沉積設(shè)備中，以丙酮為碳源，采用氫氣鼓泡方式將丙酮帶入到反應(yīng)室中，在碳化熱處理?xiàng)l件A下進(jìn)行過渡層預(yù)先碳化熱處理10?50min ;其中碳化熱處理?xiàng)l件A為:功率為1500-2000W，熱絲與襯底的距離為10-20mm，襯底溫度600?800°C，壓力為1.63Kpa，碳源與氫氣流量比為80:200，偏壓3-4A ;制得碳化熱處理的不銹鋼片； (b)將步驟(a)獲得的碳化熱處理的不銹鋼片取出，放入金剛石微粉的丙酮懸濁液中超聲震蕩60?150min后、置于丙酮中漂洗、取出干燥，得到種晶后的不銹鋼片； (c)將步驟(b)獲得的種晶后的不銹鋼片作為襯底，再放回?zé)峤z化學(xué)氣相沉積設(shè)備中進(jìn)行金剛石形核，在形核參數(shù)條件B下形核20-30min，所述形核參數(shù)條件B的參數(shù)條件與步驟(a)的碳化熱處理?xiàng)l件A相同；金剛石形核后的不銹鋼片再于生長參數(shù)條件C下進(jìn)行薄膜生長，生長時間為30?120min，所述生長參數(shù)條件C中，壓力為2_4Kpa，其余參數(shù)與步驟(a)的碳化熱處理?xiàng)l件A相同；薄膜生長結(jié)束后，降溫冷卻，從而在不銹鋼基底上制備獲得厚度為10-15 μ m的金剛石薄膜。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟(a)中，碳化熱處理?xiàng)l件A為:功率為1600W，熱絲與襯底的距離為15mm，襯底溫度650°C，壓力為1.63Kpa，碳源與氫氣流量比為 80:200，偏壓 3A。6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟(a)中，碳化熱處理的時間為25min。7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟(b)中，超聲震蕩的時間為90min。8.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述步驟(c)中，所述生長參數(shù)條件C中，壓力為3Kpa，其余參數(shù)與步驟(a)的碳化熱處理?xiàng)l件A相同。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種在不銹鋼表面制備金剛石薄膜的方法，包括以下步驟：(1)利用直流磁控濺射技術(shù)在不銹鋼表面沉積連續(xù)致密的鉻過渡層；(2)采用熱絲化學(xué)氣相沉積技術(shù)在步驟(1)獲得的鉻過渡層表面制備金剛石薄膜。本發(fā)明采用鉻過渡層經(jīng)熱絲化學(xué)氣相沉積方法成功在不銹鋼基底上制備出連續(xù)致密的金剛石薄膜，且薄膜完全沒有脫落；制備的薄膜具有較好的附著力，為實(shí)現(xiàn)金剛石涂層在以不銹鋼為基材的產(chǎn)品上的應(yīng)用提供了技術(shù)上的可能，具有較高的應(yīng)用價值。
【IPC分類】C23C14/35, C23C14/16, C23C16/27
【公開號】CN105256278
【申請?zhí)枴緾N201510778395
【發(fā)明人】胡曉君, 曹嶼, 陳建清
【申請人】浙江工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月13日