CN101550539B - 一种在陶瓷阀芯表面沉积防护薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在陶瓷阀芯表面沉积防护薄膜的方法，所采用的镀膜机包括真空室、磁控溅射源、线性离子源和兼具公转和自转的工件托架，工件托架安装在真空室内部，其特征在于：包括如下步骤：(1)、将陶瓷阀芯在酒精、丙酮溶液中进行超声清洗，干燥后，悬挂固定于工件托架上，使磁控溅射源与线性离子源环绕在陶瓷阀芯周围；(2)、在磁控溅射源上安装由过渡金属制成的金属靶，对陶瓷阀芯进行离子轰击；(3)、开启磁控溅射源电源，对陶瓷阀芯进行第一层薄膜沉积；(4)、启动线性离子源，对陶瓷阀芯进行第二层薄膜沉积；(5)、对陶瓷阀芯进行第三层薄膜沉积。本发明通过对陶瓷阀芯进行三层防护薄膜沉积，可以极大幅度地提高陶瓷阀芯的耐磨密封性能和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种在陶瓷阀芯表面沉积防护薄膜的方法。
背景技术
随水资源环境的日益严峻，节约用水已备受人们的关注。通常来说，龙头质量好与坏，阀芯是关键。目前，市场上常用阀芯材料有橡胶、不锈钢、金属、陶瓷等，其中比较而言，陶瓷阀芯具有密封性好、耐热性高、价格低、对水质污染较小、开关轻便灵活、长寿命等综合优点，因此，已成为市场上中高档龙头产品的首选阀芯材料。与其它阀芯龙头相比，陶瓷阀芯用的节水型龙头一般可达开合数十万次不漏一滴水，节约用水可高达30％～50％。然而，陶瓷阀芯质地硬、脆、难加工，且对水质要求较高(水中杂质或氧化物会导致平滑的陶瓷接触面磨损而产生缝隙，最终失去防漏水功能)，这使其广泛应用受到严重限制。
一般而言，在使用过程中，为降低陶瓷阀芯的摩擦磨损，陶瓷阀芯片必需经过严格精密的后续表面抛光处理，且为提高其密封特性和进一步降低磨损、延长寿命，阀芯片上都涂敷有一定的润滑密封硅脂。然而，在长期的龙头开关使用过程中，冷热水流一方面对硅脂的冲刷去除会导致其密封性降低、摩擦磨损增加、使用手感干涩；另一方面水流冲刷过硅脂后会含残留有一定的有害化学元素成分，这长期对人体健康会造成一定影响，因此，在能源、环保和生物医学的迅猛发展下，为使陶瓷阀芯在长期服役期间内保持良好的节水、密封、防漏、使用舒适感等功能，及尽可能的降低其对人体的健康危害，必须对陶瓷阀芯表面进行后续的耐磨润滑处理。然而，从目前的表面耐磨处理手段来看，热喷涂、激光合金化、渗氮等常用材料耐磨处理技术并不适用于陶瓷表面的耐磨润滑处理。
发明内容
本发明提供了一种在陶瓷阀芯表面沉积防护薄膜的方法，利用该方法可以在陶瓷阀芯表面沉积一层硬度高、摩擦系数低、具有良好的耐磨耐蚀性和化学惰性的类金刚石碳膜涂层的防护薄膜，解决了传统水龙头陶瓷阀芯磨损大、寿命短的缺陷，同时还解决了合成硬质耐磨薄膜过程中，薄膜和陶瓷基体间结合力差、残余应力高、易剥落、表面粗糙的问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：该在陶瓷阀芯表面沉积防护薄膜的方法，所采用的镀膜机包括真空室、磁控溅射源、线性离子源和兼具公转和自转的工件托架，工件托架安装在真空室内部，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、将陶瓷阀芯先在丙酮溶液中进行超声清洗，再在酒精溶液中进行超声清洗，干燥后，悬挂固定于工件托架上，使磁控溅射源与线性离子源环绕在陶瓷阀芯周围；
(2)、在磁控溅射源上安装由过渡金属制成的金属靶，将真空室抽真空至小于2.0×10-5Torr后，通入惰性气体，开启线性离子源，调整陶瓷阀芯的负偏压为0～300V，对陶瓷阀芯进行离子轰击，工作时间为5～40分钟后，关闭线性离子源；
(3)、对陶瓷阀芯进行第一层薄膜沉积，调整陶瓷阀芯的负偏压为-50～-200V，开启磁控溅射源电源，调整磁控溅射源的工作电流为2～3A，通入惰性气体，工作时间为：10～15分钟；
这时，第一层薄膜为过渡金属单质薄膜层；
(4)、对陶瓷阀芯进行第二层薄膜沉积，保持步骤(3)中的工作条件不变，立刻启动线性离子源，调整线性离子源的工作电流为0.1～0.2A；同时通入含碳气体，工作时间为10～15分钟；
这时，第二层薄膜为过渡金属的硬质碳化物薄膜层；
(5)、对陶瓷阀芯进行第三层薄膜沉积，设置线性离子源的工作电流为0.1～0.2A，线性离子源的工作电压为：1000～1300V，调整陶瓷阀芯的负偏压为-50～-200V，工作时间为：60～100分钟。
这时，第三层薄膜为类金刚石碳膜层，类金刚石碳膜(DLC)是一类定义广泛的非晶态多功能碳材料，具有类似金刚石的优异性能，尤其是它的高硬度、低摩擦系数、良好的耐磨耐蚀性和化学惰性，使其非常适用于耐磨耐蚀涂层。且DLC膜技术具有沉积温度低、生长面积大、性能可调、膜表面光滑的优点，因此在机械、电子、生物等领域具有良好应用前景。
过渡金属可以为铬，也可以为钛，也可以为钨。
当过渡金属为时，本发明陶瓷阀芯表面的薄膜沿垂直方向自里向外依次为Cr过渡层、CrC层、DLC碳膜涂层结构，最外层为DLC层，即为Cr/CrC/DLC的碳膜多层结构。
当过渡金属为钛时，本发明陶瓷阀芯表面的薄膜沿垂直方向自里向外依次为Ti过渡层、TiC层、DLC碳膜涂层结构，最外层为DLC层，形成Ti/TiC/DLC的碳膜涂层结构。钛具有极好的韧性，TiC薄膜具有良好的耐磨性。
当过渡金属为单质钨时，本发明陶瓷阀芯表面的薄膜沿垂直方向自里向外依次为W过渡层、WC层、DLC碳膜涂层结构，最外层为DLC层，形成W/WC/DLC的碳膜涂层结构。
作为改进，所述步骤(4)中通入的含碳气体为甲烷或乙炔。
与现有技术相比，本发明的优点在于：①采用大面积线性离子源，以含碳氢气体为碳源，合成的类金刚石碳膜的膜基结合力好，摩擦系数低，硬度高；②选用合适的过渡层，即第一层薄膜和第二层薄膜，大幅提高了第三层薄膜——类金刚石碳膜涂层和陶瓷阀芯之间的结合力；③通过调控镀膜过程中的工作条件，限制温度升高，防止沉积过程中陶瓷阀芯因过热退火而发生性能改变；④被镀陶瓷阀芯悬挂固定在工件架上，以公-自转的方式可以实现数百片阀芯的大面积均匀镀膜；⑤、通过第三层——类金刚石碳膜涂层作为陶瓷阀芯的表层，可以极大幅度地提高水龙头陶瓷阀芯的耐磨密封性能和使用寿命，节约用水。
附图说明
图1为本发明实施例一的流程图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一：
本发明提供了一种在陶瓷阀芯表面沉积防护薄膜的方法，所采用的镀膜机包括真空室、磁控溅射源、线性离子源和兼具公转和自转的工件托架，工件托架安装在真空室内部，其包括如下步骤：参见图1所示
(1)、将陶瓷阀芯先在丙酮溶液中进行超声清洗，再在酒精溶液中进行超声清洗，干燥后，悬挂固定于工件托架上，使磁控溅射源与线性离子源环绕在陶瓷阀芯周围；
(2)、在磁控溅射源上安装单质铬靶，将真空室抽真空至1.6×10-5Torr后，通入氩气，开启线性离子源，调整陶瓷阀芯的负偏压为200V，对陶瓷阀芯进行离子轰击，工作时间为40分钟后，关闭线性离子源；
(3)、对陶瓷阀芯进行第一层薄膜沉积，调整陶瓷阀芯的负偏压为-200V，开启磁控溅射源电源，调整磁控溅射源的工作电流为3A，通入氩气，气体压强为1.6mTorr，工作时间为10分钟；
(4)、对陶瓷阀芯进行第二层薄膜沉积，保持步骤(3)中的工作条件不变，立刻启动线性离子源，调整线性离子源的工作电流为0.2A；同时通入乙炔气体，乙炔气体气压为0.5mTorr，温度小于100℃，工作时间为10分钟；
(5)、对陶瓷阀芯进行第三层薄膜沉积，设置线性离子源的工作电流为0.2A，线性离子源的工作电压为：1300V，调整陶瓷阀芯的负偏压为-200V，工作时间为：60分钟。
碳膜涂层厚度为1.5μm，呈黑色，经测定类金刚石碳膜涂层的膜基结合力达40N以上，摩擦系数在0.1以下，在0.05左右，纳米压痕硬度达20GPa以上。沉积碳膜涂层大面积均匀，装炉量大，成本低，易于工业化规模生产。
实施例二：
与实施例一不同的是，在步骤(2)中，磁控溅射源上安装的为单质钛靶。
实施例三：
与实施例一不同的是，在步骤(2)中，磁控溅射源上安装的为单质钨靶。
Claims (3)
1.一种在陶瓷阀芯表面沉积防护薄膜的方法，所采用的镀膜机包括真空室、磁控溅射源、线性离子源和兼具公转和自转的工件托架，工件托架安装在真空室内部，其特征在于：包括如下步骤：
(1)、将陶瓷阀芯先在丙酮溶液中进行超声清洗，再在酒精溶液中进行超声清洗，干燥后，悬挂固定于工件托架上，使磁控溅射源与线性离子源环绕在陶瓷阀芯周围；
(2)、在磁控溅射源上安装由过渡金属制成的金属靶，将真空室抽真空至小于2.0×10-5Torr后，通入惰性气体，开启线性离子源，调整陶瓷阀芯的负偏压为0～300V，对陶瓷阀芯进行离子轰击，工作时间为5～40分钟后，关闭线性离子源；
(3)、对陶瓷阀芯进行第一层薄膜沉积，调整陶瓷阀芯的负偏压为-50～-200V，开启磁控溅射源电源，调整磁控溅射源的工作电流为2～3A，通入惰性气体，工作时间为：10～15分钟；
(4)、对陶瓷阀芯进行第二层薄膜沉积，保持步骤(3)中的工作条件不变，立刻启动线性离子源，调整线性离子源的工作电流为0.1～0.2A；同时通入含碳气源，工作时间为10～15分钟；
(5)、对陶瓷阀芯进行第三层薄膜沉积，设置线性离子源的工作电流为0.1～0.2A，线性离子源的工作电压为：1000～1300V，调整陶瓷阀芯的负偏压为-50～-200V，工作时间为：60～100分钟。
2.根据权利要求1所述的在陶瓷阀芯表面沉积防护薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(2)中过渡金属为铬或钛或钨。
3.根据权利要求1或2所述的在陶瓷阀芯表面沉积防护薄膜的方法，其特征在于：所述步骤(4)中通入的含碳气源为甲烷或乙炔。
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Legal Events
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Application publication date: 20091007 Assignee: YUYAO PURO WATER PURIFICATION EQUIPMENT CO.,LTD. Assignor: NINGBO INSTITUTE OF MATERIALS TECHNOLOGY & ENGINEERING, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2023980046131 Denomination of invention: A Method of Depositing Protective Film on the Surface of Ceramic Valve Core Granted publication date: 20110810 License type: Common License Record date: 20231107 Application publication date: 20091007 Assignee: NINGBO ZHAOBAO MAGNET Co.,Ltd. Assignor: NINGBO INSTITUTE OF MATERIALS TECHNOLOGY & ENGINEERING, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2023980046124 Denomination of invention: A Method of Depositing Protective Film on the Surface of Ceramic Valve Core Granted publication date: 20110810 License type: Common License Record date: 20231107 Application publication date: 20091007 Assignee: Ningbo longerfa Hydraulic Co.,Ltd. Assignor: NINGBO INSTITUTE OF MATERIALS TECHNOLOGY & ENGINEERING, CHINESE ACADEMY OF SCIENCES Contract record no.: X2023980046098 Denomination of invention: A Method of Depositing Protective Film on the Surface of Ceramic Valve Core Granted publication date: 20110810 License type: Common License Record date: 20231107 |
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