CN102286743A - 一种钢铁基镶嵌金刚石涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢铁基体表面沉积镶嵌结构界面金刚石涂层及其制备方法，具体包括下述步骤：(1)在钢铁基体表面溅射沉积Cr膜；(2)在沉积Cr膜的基体上沉积CuCr膜；(3)在沉积有Cr/CuCr膜的样品上，上砂复合电镀Cu-金刚石复合层；(4)在上砂复合镀的样品上，加固镀CuCrMo层；(5)用CVD金刚石生长设备在沉积有镶嵌过渡层样品表面生长出连续金刚石涂层；(6)在CVD金刚石生长结束后，用还原性或中型气体气流喷冷样品淬火。本发明的方法不仅解决了钢铁基体对金刚石沉积的石墨化问题，而且过渡层强度和硬度高，和硬质合金相近，与金刚石涂层结合力好。

Description

一种钢铁基镶嵌金刚石涂层及其制备方法

技术领域

本发明属于金刚石薄膜技术领域，特别涉及一种钢铁基体表面沉积镶嵌金刚石膜及其制备方法。

背景技术

金刚石具有优异的力学、热学、光学、电学、化学及生物学性能，具有非常广阔的应用前景。化学气相沉积(Chemical Vapor Chemical，简称CVD)金刚石在碳化物形成元素基体如硅、铬、钛钨、钼及硬质合金刀具等上面能获得粘附力较高的涂层，而在碳溶解元素基体如铁、镍、钴及其合金、钢铁材料表面难以直接形成涂层。其原因是铁、镍、钴元素在CVD金刚石生长过程中催化金刚石形成石墨，膜/基结合力很差。CVD涂层金刚石的典型应用是作为刀具涂层来提高切削刀具的使用寿命，这需要基体有足够高的硬度来支撑CVD金刚石膜，因而目前刀具上的金刚石涂层，通常选用硬质合金基体。硬质合金的主要成分是WC-Co，而W、Co已被列为我国的战略性资源，且价格昂贵，并且作为金刚石刀具涂层基体，在实际切削过程中，硬质合金基本不消耗，造成大量钨、钴资源浪费。钢铁是目前应用最广泛的结构材料，在钢铁基体上沉积金刚石作为涂层刀具，原材料成本显著降低，具有很大的市场潜力。而目前，在钢铁基体表面通常无法直接沉积结合力牢固的CVD金刚石涂层，简单在钢铁基体表面与沉积扩散阻挡层后沉积的金刚石膜，无法作为切削加工用刀具涂层。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种在钢铁基体上沉积镶嵌金刚石涂层的方法。该方法集渗铬和沉积镶嵌结构界面金刚石涂层于一体，利用CVD沉积金刚石涂层时的样品温度同时实现扩散阻挡层与基体渗铬，强化扩散阻挡层与基体界面并提高与金刚石涂层的硬度支撑，用扩散阻挡层上的镶嵌结构界面金刚石提高金刚石与基体的结合力，使金刚石涂层在快冷淬火过程中与基体结合牢固。该方法不仅解决了钢铁基体对金刚石沉积的石墨化问题，而且过渡层强度和硬度高，和硬质合金相近，与金刚石涂层结合力好。在该过渡层上沉积的金刚石膜与过镀层镶嵌咬合，在CVD金刚石沉积结束后，直接喷气冷却工件，钢铁基体能直接淬火形成马氏体，而金刚石膜与基体仍能结合牢固，保证了基体、过渡层对CVD金刚石涂层的有效支撑。

本发明通过下述技术方案实现：

一种在钢铁基体上沉积金刚石涂层的制备方法，是在钢铁基体表面用磁控溅射法预沉积一层铬层，然后用磁控溅射法双靶共溅射沉积CrCu层，在CrCu表面复合电沉积CuCrMo-金刚石镶嵌过镀涂层，用CVD法在沉积有扩散阻挡层(即磁控溅射Cr层和CuCr层)和镶嵌过渡层(即CuCrMo-金刚石)的钢铁基体上沉积连续金刚石涂层，最后用喷氢快冷法使钢铁基体淬火形成马氏体而提高基体强度和硬度，在钢铁得到具有高支撑强度的金刚石刀具涂层。具体步骤如下：

(1)在钢铁基体表面溅射沉积Cr膜；

(2)在沉积Cr膜的基体上沉积CuCr膜；

(3)在沉积有Cr/CuCr膜的样品上，上砂复合电镀Cu-金刚石复合层；

(4)在上砂复合镀的样品上，加固镀CuCrMo层；

(5)用CVD金刚石生长设备在沉积有镶嵌过渡层样品表面生长出连续金刚石涂层；因CVD金刚石沉积过程中样品温度达850～1000℃，在钢铁基体表面沉积的Cr层向基体扩散，基体中的碳向铬层扩散形成碳化铬，强化了铬/基体界面，提高了渗铬层硬度，并阻止了铁、镍、钴等石墨催化元素扩散至金刚石/铬界面。

(6)在CVD金刚石生长结束后，用还原性或中型气体气流喷冷样品淬火，使基体钢铁快冷淬火，钢铁基体组织变成高硬度的马氏体，CVD金刚石膜仍能牢固粘附于基体表面，从而得到钢铁基体表面沉积有金刚石涂层的刀具。淬火后的涂层金刚石刀具需立即在回火炉中用180～240℃回火1小时，以降低淬火应力和金刚石刀具涂层组织应力。

优选地，所述步骤(1)沉积Cr膜：将钢铁基体表面经机械处理(用w2.5的金刚石抛光膏抛光)、超声波清洗(先用丙酮、无水酒精和四氯化碳等超声波清洗15分钟，再用无水酒精超声波清洗15分钟)后放入磁控溅射室，抽本底真空度小于8×10^-3Pa，充高纯氩气至工作气压为0.5～1Pa，设置钢铁基体负偏压为-150～-50V，将钢铁基体加热至400～700℃；启动铬靶磁控溅射，磁控溅射功率密度为5.0～20W/cm²，铬溅射时间为20～60min。

优选地，所述步骤(2)沉积CuCr膜：同时启动铬靶和铜靶溅射沉积，铬溅射功率密度为2～5.0W/cm²，铜靶磁控溅射功率密度为4～10W/cm²，沉积时间为10～20min。

优选地，所述步骤(3)复合电镀Cu-金刚石复合层：将镀有Cr/CuCr双层膜的样品，水平放入上砂电镀液浸泡金刚石颗粒的上砂电镀槽中，用紫铜为阳极，样品为阴极，采用埋砂法上砂，上砂电流密度为0.4～1.5A/dm₂，上砂镀时间为15～35min。所述埋砂法是样品放入前，复合镀镀液已被充分搅拌，金刚石颗粒均匀分散于符合镀液中，然后放入样品，静止片刻，使金刚石颗粒将工件表面覆盖住。电镀时靠近工件表面的金刚石颗粒被阴极析出的金属铜埋入镀层中。

优选地，所述步骤(3)中电镀液中各组分具体配方为：Cu₂(OH)₂CO₃ 45～70g/l，EDTA(乙二胺四乙酸)5～30g/l，柠檬酸(C₆H₈O₇)200～350g/l，酒石酸钾钠(C₄O₆H₂KNa)30～60g/l，NH₄HCO₃ 10～25g/l，添加剂100～200ml/l；所述金刚石颗粒是经过表面处理的W5～W20金刚石颗粒，添加量为30～40g/l；电镀前所述金刚石颗粒在配好的电镀液中至少浸泡10小时。

优选地，所述金刚石颗粒的表面处理方法为：将金刚石颗粒放在质量分数为25～36％的浓盐酸中煮沸30～60分钟，然后用水洗至中性；表面预处理的目的是消除金刚石粉中的各种杂质。所述添加剂为甲酰胺与乙二醇混合液，体积比为3∶2。

优选地，所述步骤(4)加固镀CuCrMo层：将上砂镀后的样品放入加固镀槽中电镀，电流密度为1.0～2.0A/dm₂，加固至金刚石颗粒的80～90％埋在CuCrMo镀层中，取出样品，洗净干燥后即得到用于钢铁基体上沉积有镶嵌过渡层样品。

优选地，所述步骤(4)电镀液中各组分具体配方为：Cu(BF4)₂·6H₂O(氟硼酸铜)60～80g/l，氟硼酸铬(Cr(BF₄)₃·xH₂O)60～80g/l，Na₂MoO₄·2H₂O(钼酸钠)10～30g/l，柠檬酸(C₆H₈O₇·H₂O)10～30g/l，氯化镧(LaCl₃·nH₂O)0.1～0.3g/l，硼酸(H₃BO₃)10～30g/l，用氟硼酸调节PH值到1.0。

优选地，所述步骤(5)CVD金刚石生长设备是热丝CVD设备、微波CVD设备、直流等离子喷射CVD设备或射频CVD设备。

优选地，所述钢铁基体为5CrNiSiMnMoV(GD钢)、7CrSiMnMoV(CH-1钢)、5Cr2NiMoVSi、9CrSi、GCr15或35CrMo。

上述方法制备得到的钢铁基体上沉积镶嵌结构界面金刚石涂层，其特征在于，所述铬膜厚度为5～10μm，铜铬膜厚度为1～2μm，所述上砂镀层和加固层的镀层厚度总和为金刚石颗粒高度的80～90％，保证金刚石颗粒能稍许露出铜镀层表面。CuCrMo合金加固镀层的Cr含量为0.01～0.2％，Mo含量在0.1～0.5％范围。

由于在钢铁基体表面通常无法直接沉积结合力牢固的CVD金刚石涂层，在钢铁上沉积金刚石涂层通常需要预先沉积防止铁、镍、钴等元素扩散至表面或界面的扩散阻挡层。同时，作为刀具涂层，还需要扩散阻挡层及钢铁基体硬度和强度足够高，才能对CVD金刚石涂层形成有效支撑；另外，沉积CVD金刚石涂层过程对钢铁而言是一长时间高温扩散退火过程，基体强度和硬度很低，只有经过淬火+回火才能有较高的强度和硬度，这要求金刚石涂层与扩散阻挡层及扩散阻挡层与钢铁基体间结合力要足够高，能保证在淬火急冷工艺过程中金刚石膜不致破裂和脱落。

本发明所制得钢铁基体表面镶嵌结构界面涂层，扩散阻挡层与基体互相扩渗，扩散阻挡层硬度高，与基体结合力高，扩散阻挡层上的镶嵌结构界面金刚石涂层，与扩散阻挡层相互咬合，即使在CVD金刚石生长结束后样品快冷，形成强化马氏体的过程中也能与基体牢固结合，形成了基体、扩散阻挡层对镶嵌结构界面金刚石涂层的有效支撑，可直接用于切削加工。

附图说明

图1是制备本发明铜/金刚石复合镀层的埋砂上砂镀装置示意图，其中1-水平放置工件(阴极)，2-铜电镀液，3-水平放置纯铜阳极，4-可调直流电源，5-金刚石颗粒，6-直流电流表。

图2是实施例1制备的在钢铁基体表面沉积的镶嵌结构界面金刚石涂层快速冷却后的金刚石膜表面形貌，金刚石具有良好的晶形。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。

实施例1

(1)选用5CrNiSiMnMoV(GD钢)钢作基体，切割成10×10×4mm块状样品，对所需沉积金刚石涂层的面进行研磨并用W2.5金刚石膏机械抛光，并用无水酒精超声清洗15分钟，更换新的无水酒精，再超声清洗15分钟，最后冷风吹干。

(2)将抛光并清洗好的样品置入含有Cr靶和Cu靶的磁控溅射沉积室中，抽本底真空至6.5×10^-3Pa后，启动样品加热使样品温度维持在450～500℃，通入高纯氩气至真空室压强维持在0.5～1Pa之间，设置样品负偏压为-100V，启动Cr靶溅射，维持靶材溅射功率密度在9～11W/cm²，溅射30min；得到样品上Cr的溅射层厚度约为6.0μm；

(3)降低Cr靶溅射功率密度至3W/cm²，同时启动Cu靶溅射，溅射功率密度维持在5W/cm²，CrCu共溅射15min，在Cr层表面获得CuCr层厚度约为1.2μm；

(4)配制铜-金刚石复合镀电镀液，称取C₆H₈O₇(柠檬酸)27g溶解于60ml蒸馏水中，依次加入Cu₂(OH)₂CO₃(碱式碳酸铜)5.5g，EDTA(乙二胺四乙酸)1g，C₄O₆H₂KNa(酒石酸钾钠)4g，NH₄HCO₃ 2g，添加剂(甲酰胺∶乙二醇体积比3∶2)15ml，每次加入新药品时需充分搅拌至前加入的药品完全溶解，最后添加蒸馏水至100ml。将W10(9～10μm)的金刚石颗粒，用30％的盐酸中在通风橱中煮沸45min，用蒸馏水漂洗至中性，取3g放入先前配好的电镀液中，浸泡12小时，形成Cu-金刚石复合镀镀液。将所制得的铜-金刚石复合电镀液装在上砂镀槽中备用；

(5)配制合金加固镀液，秤取Cu(BF₄)₂·6H₂O(氟硼酸铜)7g，溶解于60ml蒸馏水中，依次加入Cr(BF₄)₃·xH2O(氟硼酸铬)7g，Na₂MoO₄·2H2O(钼酸钠)2g，C₆H₈O₇·H₂O(柠檬酸)2g，LaCl₃·nH₂O(氯化镧)0.02g，H₃BO₃(硼酸)2g，每次加入新药品时需充分搅拌至前加入的药品完全溶解，最后添加蒸馏水至100ml。将所制得的CuCrMo合金加固镀液用氟硼酸调节PH值到1.0，倒入加固镀槽中备用；

(6)将磁控溅射了铬/铜铬双层膜样品放入铜-金刚石复合镀镀槽中，用紫铜为阳极，样品为阴极，采用埋砂法上砂，上砂电流密度为0.7A/dm²，上砂镀25min后，取出样品，用蒸馏水冲洗掉未粘附牢固的金刚石粉；

(7)将上砂镀后的样品放入加固镀槽中，用石墨作阳极，样品作阴极，电流密度为1.5A/dm²，加固镀时间为45min左右后取出样品，在光学显微镜下观察金刚石颗粒的埋入程度，若大部分金刚石颗粒的直径的80～90％埋入镀层中，停止加固，若不足80～90％，继续加固，若超过80～90％，可用20％的稀硝酸溶解加固镀层，使金刚石颗粒80～90％埋入加固镀层，10～20％露出在加固镀层外，形成后续CVD金刚石生长的籽晶，得到沉积有Cr/CrCu/CuCrMo-金刚石镶嵌过镀层的样品；

(8)将沉积有Cr/CrCu/CuCrMo-金刚石镶嵌过镀层的样品放入热丝CVD金刚石生长沉积设备中生长出连续金刚石涂层。热丝CVD的沉积工艺参数为：热丝温度：2000～2200℃，样品温度：850～900℃，甲烷在氢气中的体积浓度：1.5％，沉积时间24h，在此条件下样品表面沉积出厚度为25～30μm厚的连续金刚石涂层；同时，钢铁基体表面沉积的Cr层基体扩散，基体中的碳向铬层扩散而形成碳化铬，强化了铬/基体界面，提高了渗铬层硬度，并阻止了铁、镍、钴等石墨催化元素扩散至金刚石/铬界面而使界面金刚石石墨化；

(9)CVD金刚石沉积结束后，关闭热丝电源和样品加热电源，关闭甲烷流量，同时继续通氢气喷冷样品，使基体钢铁淬火快冷，GD钢基体在850～900℃温度时内部组织已经是奥氏体，喷氢气冷却后变成高硬度的马氏体，基体的硬度和强度得到大幅度提高，对CVD金刚石膜形成有效支撑，同时CVD金刚石膜仍能牢固粘附于基体表面；

(10)喷氢淬火冷却后的涂层金刚石样品，立即在回火炉中用190±10℃回火1小时，然后空冷，以降低淬火应力和金刚石刀具涂层组织应力。

GD钢上沉积的镶嵌结构界面金刚石涂层基体硬度为Hv710(HRC60)，铬镶嵌过渡层硬度为Hv1600～1800，超过硬质合金硬度，对CVD金刚石涂层形成了有效支撑。

实施例2

(1)选用7CrSiMnMoV(CH-1钢)钢作基体，切割成10×10×4mm块状样品，对所需沉积金刚石涂层的面进行研磨并用W2.5金刚石膏机械抛光，并用无水酒精超声清洗15分钟，更换新的无水酒精，再超声清洗15分钟，最后冷风吹干。

(2)将抛光并清洗好的样品置入含有Cr靶和Cu靶的磁控溅射沉积室中，抽本底真空至7×10^-3Pa后，启动样品加热使样品温度维持在450～500℃，通入高纯氩气至真空室压强维持在0.5～1Pa之间，设置样品负偏压为-100V，启动Cr靶溅射，维持靶材溅射功率密度在6～8W/cm²，溅射60min；样品上Cr的溅射层厚度约为5.0μm；

(3)降低Cr靶溅射功率密度至3.5W/cm²，同时启动Cu靶溅射，溅射功率密度维持在6W/cm²，CrCu共溅射10min，在Cr层表面获得CuCr层厚度约为0.8～1.0μm；

(4)配制铜-金刚石复合镀电镀液，秤取C₆H₈O₇(柠檬酸)22g溶解于60ml蒸馏水中，依次加入Cu₂(OH)₂CO₃(碱式碳酸铜)4.5g，EDTA(乙二胺四乙酸)0.6g，C₄O₆H₂KNa(酒石酸钾钠)3.5g，NH₄HCO₃ 1.5g，添加剂(甲酰胺∶乙二醇体积比3∶2)15ml，每次加入新药品时需充分搅拌至前加入的药品完全溶解，最后添加蒸馏水至100ml。将W5(4.5～5μm)的金刚石颗粒，用30％的盐酸中在通风橱中煮沸45min，用蒸馏水漂洗至中性，取3g放入先前配好的电镀液中，浸泡12小时，形成Cu-金刚石复合镀镀液。将所制得的铜-金刚石复合电镀液装在上砂镀槽中备用；

(5)配制合金加固镀液，秤取Cu(BF₄)₂·6H₂O(氟硼酸铜)6g，溶解于60ml蒸馏水中，依次加入Cr(BF₄)₃·xH₂O(氟硼酸铬)6g，Na₂MoO₄·2H₂O(钼酸钠)1.5g，C₆H₈O₇·H₂O(柠檬酸)1.5g，LaCl₃·nH₂O(氯化镧)0.01g，H₃BO₃(硼酸)2g，每次加入新药品时需充分搅拌至前加入的药品完全溶解，最后添加蒸馏水至100ml。将所制得的CuCrMo合金加固镀液用氟硼酸调节PH值到1.0，倒入加固镀槽中备用；

(6)将磁控溅射了铬/铜铬双层膜样品放入铜-金刚石复合镀镀槽中，用紫铜为阳极，样品为阴极，采用埋砂法上砂，上砂电流密度为0.5A/dm²，上砂镀20min后，取出样品，用蒸馏水冲洗掉未粘附牢固的金刚石粉；

(7)将上砂镀后的样品放入加固镀槽中，用石墨作阳极，样品作阴极，电流密度为1.2A/dm²，加固镀时间为35min左右后取出样品，在光学显微镜下观察金刚石颗粒的埋入程度，若大部分金刚石颗粒的直径的80～90％埋入镀层中，停止加固，若不足80～90％，继续加固，若超过80～90％，可用20％的稀硝酸溶解加固镀层，使金刚石颗粒80～90％埋入加固镀层，10～20％露出在加固镀层外，形成后续CVD金刚石生长的籽晶，得到沉积有Cr/CrCu/CuCrMo-金刚石镶嵌过镀层的样品；

(8)将沉积有Cr/CrCu/CuCrMo-金刚石镶嵌过镀层的样品放入热丝CVD金刚石生长沉积设备中生长出连续金刚石涂层。热丝CVD的沉积工艺参数为：热丝温度：2000～2200℃，样品温度：850～900℃，甲烷在氢气中的体积浓度：1.5％，沉积时间26h，在此条件下样品表面沉积出厚度为25～30μm厚的连续金刚石涂层；同时，钢铁基体表面沉积的Cr层基体扩散，基体中的碳向铬层扩散而形成碳化铬，强化了铬/基体界面，提高了渗铬层硬度，并阻止了铁、镍、钴等石墨催化元素扩散至金刚石/铬界面而使界面金刚石石墨化；

(9)CVD金刚石沉积结束后，关闭热丝电源和样品加热电源，关闭甲烷流量，同时继续通氢气喷冷样品，使基体钢铁淬火快冷，CH-1钢基体在850～900℃温度时内部组织已经是奥氏体，喷氢气冷却后变成高硬度的马氏体，基体的硬度和强度得到大幅度提高，对CVD金刚石膜形成有效支撑，同时CVD金刚石膜仍能牢固粘附于基体表面；

(10)喷氢淬火冷却后的涂层金刚石样品，立即在回火炉中用210±10℃回火1小时，然后空冷，以降低淬火应力和金刚石刀具涂层组织应力。

CH-1钢上沉积的镶嵌结构界面金刚石涂层基体硬度为Hv700(HRC59)，铬镶嵌过渡层硬度为Hv1700～1850，超过硬质合金硬度，对CVD金刚石涂层形成了有效支撑。

实施例3

(1)选用5Cr2NiMoVSi钢作基体，切割成10×10×4mm块状样品，对所需沉积金刚石涂层的面进行研磨并用W2.5金刚石膏机械抛光，并用无水酒精超声清洗15分钟，更换新的无水酒精，再超声清洗15分钟，最后冷风吹干。

(2)将抛光并清洗好的样品置入含有Cr靶和Cu靶的磁控溅射沉积室中，抽本底真空至7×10^-3Pa后，启动样品加热使样品温度维持在450～500℃，通入高纯氩气至真空室压强维持在0.5～1Pa之间，设置样品负偏压为-100V，启动Cr靶溅射，维持靶材溅射功率密度在11～15W/cm²，溅射30min；样品上Cr的溅射层厚度约为8.0μm；

(3)降低Cr靶溅射功率密度至4W/cm²，同时启动Cu靶溅射，溅射功率密度维持在6W/cm²，CrCu共溅射15min，在Cr层表面获得CuCr层厚度约为1.5μm；

(4)配制铜-金刚石复合镀电镀液，秤取C₆H₈O₇(柠檬酸)34g溶解于60ml蒸馏水中，依次加入Cu₂(OH)₂CO₃(碱式碳酸铜)7g，EDTA(乙二胺四乙酸)2.5g，C₄O₆H₂KNa(酒石酸钾钠)6g，NH₄HCO₃ 2.5g，添加剂(甲酰胺∶乙二醇体积比3∶2)15ml，每次加入新药品时需充分搅拌至前加入的药品完全溶解，最后添加蒸馏水至100ml。将W20(19～20μm)的金刚石颗粒，用30％的盐酸中在通风橱中煮沸45min，用蒸馏水漂洗至中性，取3g放入先前配好的电镀液中，浸泡12小时，形成Cu-金刚石复合镀镀液。将所制得的铜-金刚石复合电镀液装在上砂镀槽中备用；

(5)配制合金加固镀液，秤取Cu(BF₄)₂·6H₂O(氟硼酸铜)8g，溶解于60ml蒸馏水中，依次加入Cr(BF₄)₃·xH₂O(氟硼酸铬)8g，Na₂MoO₄·2H₂O(钼酸钠)3g，C₆H₈O₇·H₂O(柠檬酸)3g，LaCl₃·nH₂O(氯化镧)0.03g，H₃BO₃(硼酸)3g，每次加入新药品时需充分搅拌至前加入的药品完全溶解，最后添加蒸馏水至100ml。将所制得的CuCrMo合金加固镀液用氟硼酸调节PH值到1.0，倒入加固镀槽中备用；

(6)将磁控溅射了铬/铜铬双层膜样品放入铜-金刚石复合镀镀槽中，用紫铜为阳极，样品为阴极，采用埋砂法上砂，上砂电流密度为1.3A/dm²，上砂镀35min后，取出样品，用蒸馏水冲洗掉未粘附牢固的金刚石粉；

(7)将上砂镀后的样品放入加固镀槽中，用石墨作阳极，样品作阴极，电流密度为2.0A/dm²，加固镀时间为70min左右后取出样品，在光学显微镜下观察金刚石颗粒的埋入程度，若大部分金刚石颗粒的直径的80～90％埋入镀层中，停止加固，若不足80～90％，继续加固，若超过80～90％，可用20％的稀硝酸溶解加固镀层，使金刚石颗粒80～90％埋入加固镀层，10～20％露出在加固镀层外，形成后续CVD金刚石生长的籽晶，得到沉积有Cr/CrCu/CuCrMo-金刚石镶嵌过镀层的样品；

(8)将沉积有Cr/CrCu/CuCrMo-金刚石镶嵌过镀层的样品放入热丝CVD金刚石生长沉积设备中生长出连续金刚石涂层。热丝CVD的沉积工艺参数为：热丝温度：2000～2200℃，样品温度：850～900℃，甲烷在氢气中的体积浓度：1.5％，沉积时间30h，在此条件下样品表面沉积出厚度为40～45μm厚的连续金刚石涂层；同时，钢铁基体表面沉积的Cr层基体扩散，基体中的碳向铬层扩散而形成碳化铬，强化了铬/基体界面，提高了渗铬层硬度，并阻止了铁、镍、钴等石墨催化元素扩散至金刚石/铬界面而使界面金刚石石墨化；

(9)CVD金刚石沉积结束后，关闭热丝电源和样品加热电源，关闭甲烷流量，同时继续通氢气喷冷样品，使基体钢铁淬火快冷，5Cr2NiMoVSi钢基体在850～900℃温度时内部组织已经是奥氏体，喷氢气冷却后变成高硬度的马氏体，基体的硬度和强度得到大幅度提高，对CVD金刚石膜形成有效支撑，同时CVD金刚石膜仍能牢固粘附于基体表面；

(10)喷氢淬火冷却后的涂层金刚石样品，立即在回火炉中用210±10℃回火1小时，然后空冷，以降低淬火应力和金刚石刀具涂层组织应力。

5Cr2NiMoVSi钢上沉积的镶嵌结构界面金刚石涂层基体硬度为Hv690(HRC59)，铬镶嵌过渡层硬度为Hv1500～1700，超过硬质合金硬度，对CVD金刚石涂层形成了有效支撑。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钢铁基体表面沉积镶嵌结构界面金刚石涂层的制备方法，其特征在于，具体包括下述步骤：

(1)在钢铁基体表面溅射沉积Cr膜；

(2)在沉积Cr膜的基体上沉积CuCr膜；

(3)在沉积有Cr/CuCr膜的样品上，上砂复合电镀Cu-金刚石复合层；

(4)在上砂复合镀的样品上，加固镀CuCrMo层；

(5)用CVD金刚石生长设备在沉积有镶嵌过渡层样品表面生长出连续金刚石涂层；

(6)在CVD金刚石生长结束后，用还原性或中型气体气流喷冷样品淬火。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)沉积Cr膜：将钢铁基体表面经机械处理、超声波清洗后放入磁控溅射室，抽本底真空度小于8×10^-3Pa，充高纯氩气至工作气压为0.5～1Pa，设置钢铁基体负偏压为-150～-50V，将钢铁基体加热至400～700℃；启动铬靶磁控溅射，磁控溅射功率密度为5.0～20W/cm²，铬溅射时间为20～60min。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)沉积CuCr膜：同时启动铬靶和铜靶溅射沉积，铬溅射功率密度为2～5.0W/cm²，铜靶磁控溅射功率密度为4～10W/cm²，沉积时间为10～20min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)复合电镀Cu-金刚石复合层：将镀有Cr/CuCr双层膜的样品，水平放入上砂电镀液浸泡金刚石颗粒的上砂电镀槽中，用紫铜为阳极，样品为阴极，采用埋砂法上砂，上砂电流密度为0.4～1.5A/dm₂，上砂镀时间为15～35min。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中电镀液中各组分具体配方为：Cu₂(OH)₂CO₃ 45～70g/l，EDTA 5～30g/l，柠檬酸200～350g/l，酒石酸钾钠30～60g/l，NH₄HCO₃ 10～25g/l，添加剂100～200ml/l；所述金刚石颗粒是经过表面处理的W5～W20金刚石颗粒，添加量为30～40g/l；电镀前所述金刚石颗粒在配好的电镀液中至少浸泡10小时。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述金刚石颗粒的表面处理方法为：将金刚石颗粒放在质量分数为25～36％的浓盐酸中煮沸30～60分钟，然后用水洗至中性；所述添加剂为甲酰胺与乙二醇混合液，体积比为3∶2。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)加固镀CuCrMo层：将上砂镀后的样品放入加固镀槽中电镀，电流密度为1.0～2.0A/dm₂，加固至金刚石颗粒的80～90％埋在CuCrMo镀层中，取出样品，洗净干燥后即得到在钢铁基体上沉积有镶嵌过渡层的样品。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)电镀液中各组分具体配方为：Cu(BF4)₂·6H₂O 60～80g/l，氟硼酸铬60～80g/l，Na₂MoO₄·2H₂O 10～30g/l，柠檬酸10～30g/l，氯化镧0.1～0.3g/l，硼酸10～30g/l，用氟硼酸调节PH值到1.0。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)CVD金刚石生长设备是热丝CVD设备、微波CVD设备、直流等离子喷射CVD设备或射频CVD设备；所述步骤(1)钢铁基体为5CrNiSiMnMoV、7CrSiMnMoV、5Cr2NiMoVSi、9CrSi、GCr15或35CrMo。

10.权利要求1～9任意一项方法制备得到的钢铁基体上沉积镶嵌结构界面金刚石涂层，其特征在于，所述铬膜厚度为5～10μm，铜铬膜厚度为1～2μm，所述上砂镀层和加固层的镀层厚度总和为金刚石颗粒高度的80～90％，CuCrMo合金加固镀层的Cr含量为0.01～0.2％，Mo含量在0.1～0.5％范围。

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