CN211284530U - 一种金刚石复合膜结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种金刚石复合膜结构，包括：基体材料层，底层，中间层和顶层；底层为掺杂硼的微米级金刚石晶粒层，目的为提高金刚石晶粒层的钉扎效应，解决涂层易脱落的问题；中间层包括中间层下层和中间层上层，中间层下层为微米级金刚石晶粒层，中间层上层为纳米级金刚石晶粒层，采用由下至上金刚石晶粒尺寸递减方式，目的为降低晶界处应力大小，改善层间应力大的问题；顶层设置在中间层上层表面之上，为纳米级金刚石晶粒层，目的为降低涂层的表面摩擦系数，解决涂层磨损量大的问题。本实用新型提供的金刚石复合膜结构稳定性好，不易脱落，可应用于许多耐磨性材料中。

Description

一种金刚石复合膜结构

技术领域

本实用新型属于金刚石膜结构领域，具体涉及一种由多层金刚石膜叠加而成的复合膜结构。

背景技术

金刚石具有硬度高、良好的热稳定性及优异的化学惰性等特点，可作为保护性涂层材料附着在工具表面。金刚石涂层涂覆于工具表面，可提高工具耐磨性，从而延长工具寿命。目前市场上对于成本低，耐磨性良好，可用寿命长的涂层材料需求较大。

现有技术的大部分为添加过渡金属层来使涂层附着力增强，但是并未降低涂层的内应力。其次，单一涂层的表面粗糙度较大，金刚石涂层结构的单一性使得涂层不能兼顾内应力，与基体结合力以及表面粗糙度等性能。

现有技术缺点：

(1)过渡层有效提高涂层附着力，但是无法降低涂层内应力；

(2)涂层结构单一，不能同时兼顾降低内应力，增强与基体结合力性能；

(3)过渡层制备过程中的稳定性弱，工艺复杂，成本高；

(4)涂层受较大外力时容易脱落；

(5)涂层的表面粗糙度较大，造成不必要的磨损。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种金刚石复合膜结构，包括：基体材料层，底层，中间层和顶层；其中：所述基体材料层上设置有底层，底层为掺杂硼的微米级金刚石晶粒层，其目的为提高金刚石晶粒层的钉扎效应，解决涂层易脱落的问题；所述的中间层设置在底层之上，具体包括中间层下层和中间层上层；其中，所述的中间层下层设置在底层表面之上，为微米级金刚石晶粒层，所述的中间层上层设置在中间层下层表面之上，为纳米级金刚石晶粒层，所述中间层采用由下至上金刚石晶粒尺寸递减方式，其目的为降低晶界处应力大小，改善层间应力大的问题；所述的顶层设置在中间层上层表面之上，为纳米级金刚石晶粒层，其目的为降低涂层的表面摩擦系数，解决涂层磨损量大的问题。

所述底层的掺杂硼的微米级金刚石晶粒层厚度为2～5μm。

所述的底层的掺杂硼的微米级金刚石晶粒层中硼和碳体积分数之比为B/C＝2：4，其中硼为硼酸三甲酯气体。

所述中间层下层的微米级金刚石晶粒层厚度为1～2μm，中间层上层的纳米级金刚石晶粒层厚度为1～2μm。

所述顶层的纳米级金刚石晶粒层厚度为2～5μm。

所述金刚石复合膜结构从底层到顶层总厚度为6～14μm。

所述底层、中间层(包括中间层下层和中间层上层)和顶层均采用热丝化学气相沉积方法形成；其中，基体温度为850℃，加热温度为2200～2500℃，碳源气体为甲烷和氢气，其中甲烷比氢气的体积流量比，即碳源浓度为1～4％。

本实用新型提供的一种金刚石复合膜结构，可应用于许多耐磨性材料中，如硬质合金刀具，砂轮等。

本实用新型技术方案：

硼掺杂的金刚石晶粒能够有效提高基体结合力，将硼掺杂在微米晶金刚石层中，由于微米晶自身的晶粒形状能够与基体形成钉扎效应，同时硼的加入可减小热应力等问题，为后续镀膜提供稳定的底层结构。由于膜的顶层需要与工件材料不断摩擦，因此需要降低表面粗糙度，而微米级晶粒的结构形状导致其表面起伏大，所以采用纳米晶来做顶层膜，并且顶层膜需要有一定厚度(比其他层厚)来提高其耐磨性。为了降低其他层对顶层的负面影响，所以顶层的下一层仍需要采用纳米晶作为缓冲保护层。为了防止微米晶直接到纳米晶的突变会造成层间应力变大，所以采用晶粒尺寸递减形式让每一层交界处都能够顺利融合。因此整个复合膜系的结构，采用底层掺杂硼的厚层微米层，底层上一层为薄层晶粒稍小的微米层，然后在底层上一层上再上一层为薄层晶粒更小的纳米层，最后顶层为厚层晶粒小的纳米层。

本实用新型的有益效果：

1、金刚石复合膜结构采用晶粒尺寸递减方式减小了层间应力；

2、底层采用微米级晶粒掺杂硼，减小热应力差值的同时增强了与基体的结合力；

3、顶层采用厚纳米级晶粒层，降低膜表面的摩擦系数；

4、顶层的下一层(中间层上一层)采用纳米级晶粒铺薄层，能有效降低膜表面的摩擦系数，并且降低其他层对顶层的影响；

5、紧密的复合膜结构能够有效加强层间结合力；

6、工艺简单，制备的膜稳定性好。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本实用新型，而非对本实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分而非全部内。

众所周知的组件与步骤并未描述于实施例中，以避免对本实用新型造成不必要的限制。

如图1所示，为一种金刚石复合膜结构，包括：设置于基体材料层1上的底层2；设置在底层2上的中间层下层3；设置在中间层下层3上的中间层上层4；以及设置在中间层上层4上的顶层5。其中，底层、中间层(包括中间层下层和中间层上层)及顶层均采用热丝化学气相沉积方法形成；其中，基体温度为850℃，加热温度为2200～2500℃，碳源气体为甲烷和氢气，其中甲烷比氢气的体积流量比，即碳源浓度为1～4％。

在本实施例中，底层的掺杂硼的微米级金刚石晶粒层厚度为2～5μm，底层的掺杂硼的微米级金刚石晶粒层中硼和碳体积分数之比为B/C＝2：4，其中硼为硼酸三甲酯气体；中间层下层的微米级金刚石晶粒层厚度为1～2μm，中间层上层的纳米级金刚石晶粒层厚度为1～2μm；顶层的纳米级金刚石晶粒层厚度为2～5μm；本实施例的一种金刚石复合膜结构从底层到顶层总厚度为6～14μm。

上述实施例的一种金刚石复合膜结构可以用作刀具，砂轮。

本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

以上仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种金刚石复合膜结构，其特征在于，包括：基体材料层，底层，中间层和顶层；其中：

所述基体材料层上设置有底层，底层为掺杂硼的微米级金刚石晶粒层；

所述的中间层设置在底层之上，具体包括中间层下层和中间层上层；其中，所述的中间层下层设置在底层表面之上，为微米级金刚石晶粒层，所述的中间层上层设置在中间层下层表面之上，为纳米级金刚石晶粒层；

所述的顶层设置在中间层上层表面之上，为纳米级金刚石晶粒层。

2.根据权利要求1所述的金刚石复合膜结构，其特征在于，所述的底层厚度为2～5μm，底层的掺杂硼的微米级金刚石晶粒层中硼和碳体积分数之比为B/C＝2：4，其中硼为硼酸三甲酯气体。

3.根据权利要求1所述的金刚石复合膜结构，其特征在于，所述的中间层下层厚度为1～2μm，中间层上层厚度为1～2μm。

4.根据权利要求1所述的金刚石复合膜结构，其特征在于，所述的顶层厚度为2～5μm。

5.根据权利要求1所述的金刚石复合膜结构，其特征在于，所述金刚石复合膜结构从底层到顶层总厚度为6～14μm。

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