CN109267000B - 一种基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法 - Google Patents

一种基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法，涉及一种制备耐磨减摩层的方法。目的是固体润滑碳膜制备工艺需要高电压和高真空环境，对设备的要求较高的问题。方法：铁基合金表面预处理，然后在铁基合金表面制备含有Fe(M)3C相或Fe(M)3N(C)相的渗层，最后在等离子体渗碳炉内对含有Fe(M)3C相或Fe(M)3N(C)相的铁基合金表面进行等离子体轰击。本发明制备工艺不需要高电压和高真空环境，对设备的要求较低。本发明适用于制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层。

Description

一种基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨 减摩层的方法
技术领域
本发明涉及一种制备耐磨减摩层的方法。
背景技术
节能和环保一直是可持续发展的两大重要主题，减少传动件的摩擦阻力可以显著提高能源利用率，以汽车为例，其三分之一的燃料都用于克服摩擦阻力。并且，由摩擦所引起的磨损失效给国民经济发展带来重大损失，约70％～80％的设备损坏是由各种形式的磨损而引起的。因此，减少材料的摩擦损耗一直是科研界研究的热点。
碳材料由于优异的力学性能、耐腐蚀性和导热性能，在光学、电化学、力学和摩擦学领域具有广泛的应用。大量的研究表明碳材料可以作为铁基合金结构件的固体润滑材料，延长铁基合金结构件的服役寿命。固体润滑材料以膜层或者添加剂的形式实现优异的润滑性，显著提高结构件的摩擦磨损性能。
固体润滑碳膜是较为常见的固体润滑材料，固体润滑碳膜由石墨的sp2键合和金刚石的sp3键合构成的亚稳结构碳层，固体润滑碳膜的制备方法包括离子束沉积、磁控溅射、磁过滤阴极真空电弧法和等离子增强化学气相沉积法等，以上方法均需要高电压和高真空环境，对设备的要求较高。因此探索一种简单有效的、对设备的要求较低的固体润滑碳层制备方法，形成可靠的耐磨减摩自润滑技术，具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明为了解决现有固体润滑碳膜制备工艺需要高电压和高真空环境，对设备的要求较高的问题，提出一种基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法。
本发明基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法按照以下步骤进行：
一、预处理：
采用水砂纸将铁基合金表面打磨光亮，然后清洗打磨后的铁基合金表面，得到预处理的铁基合金；
二、渗层形成：
对步骤一得到的预处理的铁基合金表面进行渗碳处理或碳氮共渗处理，在铁基合金表面得到Fe(M)3C相；
所述渗碳处理时采用的渗碳工艺为气体渗碳或等离子体渗碳；
步骤二对铁基合金进行渗碳处理或碳氮共渗处理，能够在铁基合金表面获得Fe(M)3C相占主导的渗层，Fe(M)3C相能够诱导金刚石/石墨复合结构的生长；其中M为合金元素，合金元素为Cr、Mo、Ni、V或Ti；根据不同的渗碳处理时间或碳氮共渗处理时间能够获得不同厚度的渗层；
三、金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的生长：
将步骤二处理后的铁基合金转移至等离子体渗碳炉内，通入混合气，对含有Fe(M)3C相的铁基合金表面进行等离子体轰击，在Fe(M)3C相表面得到金刚石和石墨复合结构碳层，即完成；
所述等离子体轰击的电压大于400V；
所述的等离子体轰击的温度为250～550℃；
所述混合气由碳源气体和氢气构成，或由碳源气体和氩气构成。
其中，混合气中碳源气体和氢气的比例，或碳源气体和氩气与温度相关，在制备过程中如果在Fe(M)3C相表面得到了炭黑层而不是石墨层，则需要降低降低碳源气体的比例至在Fe(M)3C相表面得到石墨层。
本发明基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的另一种方法按照以下步骤进行：
一、预处理：
采用水砂纸将铁基合金表面打磨光亮，然后清洗打磨后的铁基合金表面，得到预处理的铁基合金；
二、渗层形成：
对步骤一得到的预处理的铁基合金表面进行碳氮共渗处理，在铁基合金表面得到Fe(M)3N(C)相；
所述碳氮共渗处理时采用的碳氮共渗工艺为气体碳氮共渗、气体氮碳共渗或等离子体碳氮共渗；
步骤二对铁基合金进行渗碳处理或碳氮共渗处理，能够在铁基合金表面获得Fe(M)3N(C)相占主导的渗层，Fe(M)3N(C)相能够诱导金刚石/石墨复合结构的生长；其中M为合金元素，合金元素为Cr、Mo、Ni、V或Ti；根据不同的渗碳处理时间或碳氮共渗处理时间能够获得不同厚度的渗层；
三、金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的生长：
将步骤二处理后的铁基合金转移至等离子体渗碳炉内，通入混合气，对含有Fe(M)3N(C)相的铁基合金表面进行等离子体轰击，在Fe(M)3N(C)相表面得到金刚石和石墨复合结构碳层，即完成；
所述等离子体轰击的电压大于400V；
所述的等离子体轰击的温度为250～550℃；
所述混合气由碳源气体和氢气构成，或由碳源气体和氩气构成。
其中，混合气中碳源气体和氢气的比例，或碳源气体和氩气与温度相关，在制备过程中如果在Fe(M)3N(C)相表面得到了炭黑层而不是石墨层，则需要降低降低碳源气体的比例至在Fe(M)3N(C)相表面得到石墨层。
本发明的原理和有益效果是：
本发明首先在铁基合金表面获得Fe(M)3C相或Fe(M)3N(C)相占主导的渗层，从而发挥Fe(M)3C相或Fe(M)3N(C)相对金刚石/石墨复合结构的诱导效应，然后在Fe(M)3C相或Fe(M)3N(C)相表面沉积金刚石/石墨复合结构的耐磨减摩润滑层。石墨结构的自润滑作用有利于获得稳定的低摩擦系数；金刚石硬质颗粒可以提高结构件的耐磨性，从而改善结构件的疲劳性能，延长其服役寿命。本发明利用渗碳形成的Fe(M)3C相或氮碳共渗形成的Fe(M)3C(N)相，在等离子体渗碳设备中诱导形成金刚石石墨复合结构，因此本发明方法不需要高电压和高真空环境，对设备的要求低。
附图说明
图1为实施例1中铁基合金表面的金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的拉曼光谱图；
图2为实施例1中铁基合金表面的金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的透射电子显微镜图；
图3为实施例1中铁基合金表面的金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的选区电子衍射图；
图4为摩擦系数曲线图；曲线1对应未处理试样(M50NiL钢)，曲线2对应对比例试样，曲线3对应实施例1试样；
图5为未处理试样表面磨损后的电子显微镜；
图6为实施例1铁基合金表面的金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层磨损后的电子显微镜；
图7为未处理试样表面磨损后的三维轮廓图；
图8为实施例1铁基合金表面的金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层磨损后的三维轮廓图。
具体实施方式：
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。
具体实施方式一：本实施方式基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法按照以下步骤进行：
一、预处理：
采用水砂纸将铁基合金表面打磨光亮，然后清洗打磨后的铁基合金表面，得到预处理的铁基合金；
二、渗层形成：
对步骤一得到的预处理的铁基合金表面进行渗碳处理或碳氮共渗处理，在铁基合金表面得到Fe(M)3C相；
所述渗碳处理时采用的渗碳工艺为气体渗碳或等离子体渗碳；
三、金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的生长：
将步骤二处理后的铁基合金转移至等离子体渗碳炉内，通入混合气，对含有Fe(M)3C相的铁基合金表面进行等离子体轰击，在Fe(M)3C相表面得到金刚石和石墨复合结构碳层，即完成；
所述等离子体轰击的电压大于400V；
所述的等离子体轰击的温度为250～550℃；
所述混合气由碳源气体和氢气构成，或由碳源气体和氩气构成。
本实施方式具备以下有益效果：
本实施方式首先在铁基合金表面获得Fe(M)3C相占主导的渗层，从而发挥Fe(M)3C相对金刚石/石墨复合结构的诱导效应，然后在Fe(M)3C相表面沉积金刚石/石墨复合结构的耐磨减摩润滑层。石墨结构的自润滑作用有利于获得稳定的低摩擦系数；金刚石硬质颗粒可以提高结构件的耐磨性，从而改善结构件的疲劳性能，延长其服役寿命。本实施方式利用渗碳形成的Fe(M)3C相或氮碳共渗形成的Fe(M)3C(N)相，在等离子体渗碳设备中诱导形成金刚石石墨复合结构，因此本实施方式方法不需要高电压和高真空环境，对设备的要求低。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中依次采用240#和800#的水砂纸将铁基合金表面打磨光亮。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一所述清洗打磨后的铁基合金表面的具体工艺为：首先使用乙醇进行超声清洗，然后采用丙酮进行超声清洗。其他步骤和参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二所述渗碳处理时采用的渗碳气体为甲烷、乙烷、丙烷、苯类、一氧化碳、甲醇、乙炔、气态丙酮或气态酒精。其他步骤和参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二所述渗碳处理的温度为250～950℃。其他步骤和参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三所述混合气中的碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷、苯类、一氧化碳、甲醇、乙炔、气态丙酮或气态酒精。其他步骤和参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法按照以下步骤进行：
一、预处理：
采用水砂纸将铁基合金表面打磨光亮，然后清洗打磨后的铁基合金表面，得到预处理的铁基合金；
二、渗层形成：
对步骤一得到的预处理的铁基合金表面进行碳氮共渗处理，在铁基合金表面得到Fe(M)3N(C)相；
所述碳氮共渗处理时采用的碳氮共渗工艺为气体碳氮共渗、气体氮碳共渗或等离子体碳氮共渗；
三、金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的生长：
将步骤二处理后的铁基合金转移至等离子体渗碳炉内，通入混合气，对含有Fe(M)3N(C)相的铁基合金表面进行等离子体轰击，在Fe(M)3N(C)相表面得到金刚石和石墨复合结构碳层，即完成；
所述等离子体轰击的电压大于400V；
所述的等离子体轰击的温度为250～550℃；
所述混合气由碳源气体和氢气构成，或由碳源气体和氩气构成。
本实施方式具备以下有益效果：
本实施方式首先在铁基合金表面获得Fe(M)3N(C)相占主导的渗层，从而发挥Fe(M)3N(C)相对金刚石/石墨复合结构的诱导效应，然后在Fe(M)3N(C)相表面沉积金刚石/石墨复合结构的耐磨减摩润滑层。石墨结构的自润滑作用有利于获得稳定的低摩擦系数；金刚石硬质颗粒可以提高结构件的耐磨性，从而改善结构件的疲劳性能，延长其服役寿命。本实施方式利用渗碳形成的Fe(M)3C相或氮碳共渗形成的Fe(M)3C(N)相，在等离子体渗碳设备中诱导形成金刚石石墨复合结构，因此本实施方式方法不需要高电压和高真空环境，对设备的要求低。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：步骤一中依次采用240#和800#的水砂纸将铁基合金表面打磨光亮。其他步骤和参数与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式六至七之一不同的是：步骤一所述清洗打磨后的铁基合金表面的具体工艺为：首先使用乙醇进行超声清洗，然后采用丙酮进行超声清洗。其他步骤和参数与具体实施方式六至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤二所述碳氮共渗处理时采用的渗氮气体为氮气或氨气。其他步骤和参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式六至八之一不同的是：步骤二所述碳氮共渗处理时采用的渗碳气体为甲烷、乙烷、丙烷、苯类、一氧化碳、甲醇、乙炔、气态丙酮或气态酒精。其他步骤和参数与具体实施方式六至八之一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式六至十之一不同的是：步骤二所述碳氮共渗处理时温度为250～650℃。其他步骤和参数与具体实施方式六至十之一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式六至十一之一不同的是：步骤三所述混合气中的碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷、苯类、一氧化碳、甲醇、乙炔、气态丙酮或气态酒精。其他步骤和参数与具体实施方式六至十一之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：
本发明基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法按照以下步骤进行：
一、预处理：
依次采用240#和800#的水砂纸将铁基合金表面打磨光亮，然后清洗打磨后的铁基合金表面，得到预处理的铁基合金；
所述铁基合金为M50NiL钢；
所述采用水砂纸将铁基合金表面时依次采用240#和800#的水砂纸；
所述清洗打磨后的铁基合金表面的具体工艺为：首先使用乙醇进行超声清洗，然后采用丙酮进行超声清洗；
二、渗层形成：
对步骤一得到的预处理的铁基合金表面进行渗碳处理，在铁基合金表面得到Fe(M)3C相；
所述渗碳处理时采用的渗碳工艺为等离子体渗碳；
所述渗碳处理时采用的渗碳气体为气态丙酮；
所述渗碳处理的温度为400℃；
所述渗碳处理时间为4h；
三、金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的生长：
将步骤二处理后的铁基合金转移至等离子体渗碳炉内，通入混合气，对含有Fe(M)3C相的铁基合金表面进行等离子体轰击，在Fe(M)3C相表面得到金刚石和石墨复合结构碳层，即完成；
所述等离子体轰击的电压为660V；
所述的等离子体轰击的温度为400℃；
所述的等离子体轰击时间为8h；
所述混合气由碳源气体和氢气构成；
所述混合气中的碳源气体为气态丙酮；
所述混合气中碳源气体和氢气的体积比为3:7；
本实施例首先在铁基合金表面获得Fe(M)3C相占主导的渗层，从而发挥Fe(M)3C相对金刚石/石墨复合结构的诱导效应，然后在Fe(M)3C相表面沉积金刚石/石墨复合结构的耐磨减摩润滑层。石墨结构的自润滑作用有利于获得稳定的低摩擦系数；金刚石硬质颗粒可以提高结构件的耐磨性，从而改善结构件的疲劳性能，延长其服役寿命。本实施例利用渗碳形成的Fe(M)3C相或氮碳共渗形成的Fe(M)3C(N)相，在等离子体渗碳设备中诱导形成金刚石石墨复合结构，因此本实施例方法不需要高电压和高真空环境，对设备的要求低。
对比例：
一、依次用240#和800#水砂纸将铁基合金表面打磨光亮，然后将打磨后的铁基合金依次置于乙醇和丙酮中超声清洗，得到预处理后的铁基合金；所述铁基合金为M50NiL钢；
二、对铁基合金进行渗碳处理，在铁基合金表面得到渗碳层；
所述的渗碳气体为气态丙酮，所述的渗碳工艺为等离子体渗碳，所述的渗碳温度为500℃，所述的渗碳处理时间为12h。
进行以下测试：
图1为实施例1中铁基合金表面的金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的拉曼光谱图；图1中拉曼结果显示表面形成了D峰和G峰，表明实施例1成功制备了金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层。
图2为实施例1中铁基合金表面的金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的透射电子显微镜图；图3为实施例1中铁基合金表面的金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的选区电子衍射图；由图2和图3可知，衍射环对应的是Fe3C相和金刚石相，衍射光晕对应的是无定型的结构，其中掺杂纳米级的金刚石晶粒，表明形成了金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层。
图4为摩擦系数曲线图；曲线1对应未处理试样(M50NiL钢)，曲线2对应对比例试样，曲线3对应实施例1试样；由图4可知，实施例1试样的摩擦系数明显低于未处理试样和对比例试样，表明金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层具有优异的润滑性能。
图5为未处理试样表面磨损后的电子显微镜；图6为实施例1铁基合金表面的金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层磨损后的电子显微镜；图7为未处理试样表面磨损后的三维轮廓图；图8为实施例1铁基合金表面的金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层磨损后的三维轮廓图；图5～图8可知，未处理试样表面的磨损率为4.285×10-5mm3m-1N-1，实施例1制备的铁基合金表面的金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的磨损率为1.53×10-6mm3m-1N-1，实施例1试样与未处理试样相比磨损率下降96.07％，耐磨性得到大幅度提高。
实施例2：
本实施例基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法按照以下步骤进行：
一、预处理：
依次采用240#和800#的水砂纸将铁基合金表面打磨光亮，然后清洗打磨后的铁基合金表面，得到预处理的铁基合金；
所述铁基合金为M50NiL钢；
所述采用水砂纸将铁基合金表面时依次采用240#和800#的水砂纸；
所述清洗打磨后的铁基合金表面的具体工艺为：首先使用乙醇进行超声清洗，然后采用丙酮进行超声清洗；
二、渗层形成：
对步骤一得到的预处理的铁基合金表面进行碳氮共渗处理，在铁基合金表面得到Fe(M)3N(C)相；
所述碳氮共渗处理时采用的碳氮共渗工艺为等离子体氮碳共渗；
所述碳氮共渗处理时采用的渗氮气体为氮气；
所述碳氮共渗处理时采用的渗碳气体为气态酒精；
所述碳氮共渗处理时温度为500℃；
所述碳氮共渗处理时间为6h；
三、金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的生长：
将步骤二处理后的铁基合金转移至等离子体渗碳炉内，通入混合气，对含有Fe(M)3C相或Fe(M)3N(C)相的铁基合金表面进行等离子体轰击，在Fe(M)3C相或Fe(M)3N(C)相表面得到金刚石和石墨复合结构碳层，即完成；
所述等离子体轰击的电压为500V；
所述的等离子体轰击的温度为350℃；
所述混合气由碳源气体和氢气构成；
所述混合气中的碳源气体为气态酒精。
所述的等离子体轰击时间为16h；
所述混合气中碳源气体和氢气的体积比为2:8；
本实施例首先在铁基合金表面获得Fe(M)3N(C)相占主导的渗层，从而发挥Fe(M)3N(C)相对金刚石/石墨复合结构的诱导效应，然后在Fe(M)3N(C)相表面沉积金刚石/石墨复合结构的耐磨减摩润滑层。石墨结构的自润滑作用有利于获得稳定的低摩擦系数；金刚石硬质颗粒可以提高结构件的耐磨性，从而改善结构件的疲劳性能，延长其服役寿命。本实施例利用渗碳形成的Fe(M)3C相或氮碳共渗形成的Fe(M)3C(N)相，在等离子体渗碳设备中诱导形成金刚石石墨复合结构，因此本实施例方法不需要高电压和高真空环境，对设备的要求低。
实施例3：
本实施例基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法按照以下步骤进行：
一、预处理：
依次采用240#和800#的水砂纸将铁基合金表面打磨光亮，然后清洗打磨后的铁基合金表面，得到预处理的铁基合金；
所述铁基合金为M50NiL钢；所述采用水砂纸将铁基合金表面时依次采用240#和800#的水砂纸；所述清洗打磨后的铁基合金表面的具体工艺为：首先使用乙醇进行超声清洗，然后采用丙酮进行超声清洗；
二、渗层形成：
对步骤一得到的预处理的铁基合金表面进行渗碳处理，在铁基合金表面得到Fe(M)3C相；
所述渗碳处理时采用的渗碳工艺为等离子体渗碳；
所述渗碳处理时采用的渗碳气体为丙酮气体；
所述渗碳处理的温度为250℃；
所述渗碳处理时间为48h；
三、金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的生长：
将步骤二处理后的铁基合金转移至等离子体渗碳炉内，通入混合气，对含有Fe(M)3C相的铁基合金表面进行等离子体轰击，在Fe(M)3C相表面得到金刚石和石墨复合结构碳层，即完成；
所述等离子体轰击的电压为400V；
所述的等离子体轰击的温度为300℃；
所述混合气由碳源气体和氢气构成；
所述混合气中的碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷、苯类、一氧化碳、甲醇、乙炔、气态丙酮或气态酒精；
所述的等离子体轰击时间为24h；
所述混合气中碳源气体和氢气的体积比为2:8；
本实施例首先在铁基合金表面获得Fe(M)3C相占主导的渗层，从而发挥Fe(M)3C相对金刚石/石墨复合结构的诱导效应，然后在Fe(M)3C相表面沉积金刚石/石墨复合结构的耐磨减摩润滑层。石墨结构的自润滑作用有利于获得稳定的低摩擦系数；金刚石硬质颗粒可以提高结构件的耐磨性，从而改善结构件的疲劳性能，延长其服役寿命。本实施例利用渗碳形成的Fe(M)3C相或氮碳共渗形成的Fe(M)3C(N)相，在等离子体渗碳设备中诱导形成金刚石石墨复合结构，因此本实施例方法不需要高电压和高真空环境，对设备的要求低。
实施例4：
本实施例基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法按照以下步骤进行：
一、预处理：
依次采用240#和800#的水砂纸将铁基合金表面打磨光亮，然后清洗打磨后的铁基合金表面，得到预处理的铁基合金；
所述铁基合金为M50NiL钢；所述采用水砂纸将铁基合金表面时依次采用240#和800#的水砂纸；所述清洗打磨后的铁基合金表面的具体工艺为：首先使用乙醇进行超声清洗，然后采用丙酮进行超声清洗；
二、渗层形成：
对步骤一得到的预处理的铁基合金表面进行渗碳处理，在铁基合金表面得到Fe(M)3C相；
所述渗碳处理时采用的渗碳工艺为气体渗碳；
所述渗碳处理时采用的渗碳气体为乙烷；
所述渗碳处理的温度为950℃；
所述渗碳处理时间为5h；
三、金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的生长：
将步骤二处理后的铁基合金转移至等离子体渗碳炉内，通入混合气，对含有Fe(M)3C相的铁基合金表面进行等离子体轰击，在Fe(M)3C相表面得到金刚石和石墨复合结构碳层，即完成；
所述等离子体轰击的电压为700V；
所述的等离子体轰击的温度为400℃；
所述混合气由碳源气体和氢气构成；
所述混合气中的碳源气体为气态丙酮；
所述的等离子体轰击时间为10h；
所述混合气中碳源气体和氢气的体积比为3:7；
本实施例首先在铁基合金表面获得Fe(M)3C相占主导的渗层，从而发挥Fe(M)3C相对金刚石/石墨复合结构的诱导效应，然后在Fe(M)3C相表面沉积金刚石/石墨复合结构的耐磨减摩润滑层。石墨结构的自润滑作用有利于获得稳定的低摩擦系数；金刚石硬质颗粒可以提高结构件的耐磨性，从而改善结构件的疲劳性能，延长其服役寿命。
本实施例利用渗碳形成的Fe(M)3C相或氮碳共渗形成的Fe(M)3C(N)相，在等离子体渗碳设备中诱导形成金刚石石墨复合结构，因此本实施例方法不需要高电压和高真空环境，对设备的要求低。

Claims (10)

1.一种基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
一、预处理：
采用水砂纸将铁基合金表面打磨光亮，然后清洗打磨后的铁基合金表面，得到预处理的铁基合金；
二、渗层形成：
对步骤一得到的预处理的铁基合金表面进行渗碳处理，在铁基合金表面得到Fe(M)3C相；
所述渗碳处理时采用的渗碳工艺为气体渗碳或等离子体渗碳；
三、金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的生长：
将步骤二处理后的铁基合金转移至等离子体渗碳炉内，通入混合气，对含有Fe(M)3C相的铁基合金表面进行等离子体轰击，在Fe(M)3C相表面得到金刚石和石墨复合结构碳层，即完成；
所述等离子体轰击的电压大于400V；
所述的等离子体轰击的温度为250～550℃；
所述混合气由碳源气体和氢气构成，或由碳源气体和氩气构成。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法，其特征在于：步骤一所述清洗打磨后的铁基合金表面的具体工艺为：首先使用乙醇进行超声清洗，然后采用丙酮进行超声清洗。
3.根据权利要求1所述的基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法，其特征在于：步骤二所述渗碳处理时采用的渗碳气体为甲烷、乙烷、丙烷、苯类、一氧化碳、甲醇、乙炔、气态丙酮或气态酒精。
4.根据权利要求1所述的基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法，其特征在于：步骤二所述渗碳处理的温度为250～950℃。
5.根据权利要求1或2所述的基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法，其特征在于：步骤三所述混合气中的碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷、苯类、一氧化碳、甲醇、乙炔、气态丙酮或气态酒精。
6.一种基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
一、预处理：
采用水砂纸将铁基合金表面打磨光亮，然后清洗打磨后的铁基合金表面，得到预处理的铁基合金；
二、渗层形成：
对步骤一得到的预处理的铁基合金表面进行碳氮共渗处理，在铁基合金表面得到Fe(M)3N(C)相；
所述碳氮共渗处理时采用的碳氮共渗工艺为气体碳氮共渗、气体氮碳共渗或等离子体碳氮共渗；
三、金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的生长：
将步骤二处理后的铁基合金转移至等离子体渗碳炉内，通入混合气，对含有Fe(M)3N(C)相的铁基合金表面进行等离子体轰击，在Fe(M)3N(C)相表面得到金刚石和石墨复合结构碳层，即完成；
所述等离子体轰击的电压大于400V；
所述的等离子体轰击的温度为250～550℃；
所述混合气由碳源气体和氢气构成，或由碳源气体和氩气构成。
7.根据权利要求6所述的基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法，其特征在于：步骤二所述碳氮共渗处理时采用的渗氮气体为氮气或氨气。
8.根据权利要求6所述的基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法，其特征在于：步骤二所述碳氮共渗处理时采用的渗碳气体为甲烷、乙烷、丙烷、苯类、一氧化碳、甲醇、乙炔、气态丙酮或气态酒精。
9.根据权利要求6所述的基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法，其特征在于：步骤二所述碳氮共渗处理时温度为250～650℃。
10.根据权利要求6所述的基于等离子体热平衡法制备金刚石/石墨复合结构耐磨减摩层的方法，其特征在于：步骤三所述混合气中的碳源气体为甲烷、乙烷、丙烷、苯类、一氧化碳、甲醇、乙炔、气态丙酮或气态酒精。
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