CN101781748B - 硬质合金、高速钢材料表面制备非晶碳复合涂层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种用于硬质合金、高速钢材料表面制备非晶四面体碳复合涂层的新方法，包括基体预处理、离子清洗、镀制CrTiAlN中间涂层、电弧放电和碳离子沉积；该方法制备的非晶四面体碳薄膜复合涂层，结合强度高，硬度高，摩擦系数小，涂层薄，同时具有优异的韧性，非常适用于丝锥、铰刀、塞规等对尺寸有严格要求的刀、量具，涂层中SP³键结构含量≥85％，硬度≥85GPa，摩擦系数≤0.15，薄膜与基体之间的结合力≥35N；与传统技术制备的DLC相比，摩擦系数更小，硬度更高，使用寿命提供6倍以上，是目前非常适合选用的涂层材料。

Description

硬质合金、高速钢材料表面制备非晶碳复合涂层的方法

技术领域：

本发明属于离子束材料表面改性领域，特别涉及一种硬质合金、高速钢材料表面制备非晶四面体碳复合涂层的方法。

背景技术：

目前国内外刀具涂层普遍采用的有：TiN、CrN、TiAlN、CrAlN和CrAlTi等多种材料，而这些材料具有不同的特性得到一定的应用，但这些涂层的硬度限制在15-30GPa，摩擦系数为0.4-2。

在工具中，丝锥与其他刀具，如铣刀等的要求不同，是一次性使用的刀具，其对尺寸要求严格，如果刀具尺寸大，会使螺纹大，螺丝松动，尺寸小，则螺丝进不去。当丝锥攻盲孔，或不锈钢等粘性材料时，往往由于排屑不好，形成夹刀，崩齿。

在上述这些涂层材料的硬度范围，一般铣刀镀4-5微米，可以得到一定的延长寿命的目的，但对于丝锥，镀层厚到1微米时，使丝锥的尺寸变大，造成螺纹变松，如果镀层薄，如1微米以下，产生的效果不明显，而且涂层的摩擦系数大，不能解决沾铁屑，夹刀的现象。因此，在刀具镀膜中，如何解决丝锥镀膜一直是难点。

而目前类金刚石(DLC)涂层相比较摩擦系数小，可以解决沾铁屑，夹刀的现象。但目前采用传统的磁控溅射、电弧等方法制备的DLC涂层，其SP³键含量一般在30-50％，因此硬度与上述涂层差不多，一般小于30GPa。因此，急需解决新的装备技术。

发明内容：

基于上述方法的不足，本发明的目的在于提供一种用于硬质合金、高速钢材料表面制备非晶四面体碳复合涂层的新方法，该方法制备的非晶四面体碳薄膜复合涂层，结合强度高，硬度高，摩擦系数小，涂层薄，同时具有优异的韧性，非常适用于丝锥、铰刀、塞规等对尺寸有严格要求的刀、量具，可以从根本上解决延长使用寿命的难题。

为实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种硬质合金、高速钢材料表面制备非晶碳复合涂层的方法，所述的硬质合金、高速钢材料统称为基体，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(1)基体预处理：首先对基体表面进行除油，然后放入丙酮溶液中，用超声波清洗，酒精脱水，氮气吹干；

(2)离子清洗：将预处理后的基体放入镀膜机真空室的转台上进行离子清洗；

(3)镀制涂层：将经过离子清洗后的基体采用磁控溅射装置镀CrTiAlN涂层；

(4)形成非晶碳薄膜：关闭磁控溅射装置，启动过滤电弧离子源，离子源的工作气压为2×10^-2Pa，电弧电流为80A，石墨靶阴极的碳纯度为99.99％，通过电弧放电由石墨表面气化出碳原子和碳分子，碳原子和碳分子在放电室中进一步电离形成碳离子，经过磁过滤装置过滤掉中性碳原子和碳分子，过滤后的碳离子沉积在基体表面，形成超硬的非晶四面体碳薄膜；

所述步骤(2)中离子清洗是指，采用冷阴极离子源，进行离子清洗，离子源通入氩气，流量为12sccm，保持真空室气压2×10^-2Pa，离子源的放电电压为400V-600V，放电电流为100mA-200mA，引出电压为1000V-1200V，引出电流50mA-100mA，轰击基体10-30分钟，离子源纵向均匀尺寸为40mm，转台以3r/min的线速度旋转，保证横向清洗均匀；

所述步骤(3)中采用磁控溅射装置镀CrTiAlN涂层是指，在偏压为200V，占空比1∶1，气压为4.0x10^-1Pa情况下充入N₂和Ar混合气体，流量比例为7.2∶150，启动Cr、Ti、Al三个磁控溅射靶，溅射电流分别为：Al：1.8A、Ti：7.0A、Cr：1.8A，溅射电压分别为：Al：560V、Ti：400V、Cr：440V，镀制时间为40min，转台以3r/min的线速度旋转，保证横向镀膜均匀，涂层厚度800nm；

所述步骤(4)中碳离子沉积是指，偏压采用直流脉冲，电源占宽比为1∶1，偏压幅值为120V，转台以3r/min的线速度旋转，保证基体涂层横向均匀，磁场扫描线圈沿基体的纵向扫描，扫描的频率为50Hz，基体温度≤80C°，基体的薄膜厚度为300nm。

由上述技术方案可见，本发明为了在硬质合金、高速钢表面增加非晶碳涂层的结合力，在中间增加了一层CrTiAlN过渡层，当它具有高Cr含量时，表现出优异的韧性，正是非晶碳薄膜缺少的特性，采用本方法在硬质合金、高速钢材料表面形成的非晶四面体碳复合涂层为非晶结构，涂层中SP³键结构含量≥85％，硬度≥85GPa，摩擦系数≤0.15，薄膜与基体之间的结合力≥35N；与传统技术制备的DLC相比，摩擦系数更小，硬度更高，使用寿命提供6倍以上，是非常适合选用的涂层材料。

附图说明：

图1为实现本发明方法所采用装置的结构示意图；

图中：1-过滤电弧离子源；2-S型双弯管磁过滤装置；3-真空室；4-冷阴极离子源；5-工装转台；6-工装架；7-抽气口；8-进气口；9-真空计；10-磁扫描线圈；11-磁控溅射靶；12-石墨靶阴极；

图2为磁控溅射靶磁场分布图；

图3为S型双弯管磁过滤装置结构示意图；

图4为本发明所制备涂层的拉曼光谱图，定性的计算SP³键结构；

图5为本发明所制备涂层的原子力显微镜图片，显示表面粗糙度为0.25nm；

图6为本发明所制备涂层的摩擦系数图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

本发明提供了一种硬质合金、高速钢材料表面制备非晶四面体碳复合涂层的方法，所述的硬质合金、高速钢材料统称为基体，包括下列步骤：

(1)基体的预处理：首先对基体表面进行除油，然后放入丙酮溶液中，并用超声波清洗，酒精脱水，最后用氮气吹干；

(2)将预处理好的基体插在专用的工装架6上，将工装架6放入镀膜机真空室3中的一个工装转台5上；采用一个冷阴极离子源4，进行离子清洗，离子源通入氩气，流量为12sccm，保持真空室气压2×10^-2Pa，离子源的放电电压为400V-600V，放电电流为100mA-200mA，引出电压为1000V-1200V，引出电流50mA-100mA，轰击部件10-30分钟，离子源纵向均匀尺寸为40mm，工装转台5以3r/min的线速度旋转，以保证横向均匀；

(3)关掉冷阴极离子源4，为了增加硬质合金、高速钢材料表面非晶碳涂层的附着力，提高薄膜的韧性，采用磁控溅射技术镀制CrTiAlN涂层，在偏压为200V，占空比1∶1，气压为4.0x10^-1情况下充入氮气和氩气，然后启动Cr、Ti、Al磁控溅射靶11，如图2所示，具体参数如下表：

镀制CrTiAlN涂层薄膜厚度为800nm。

(4)关掉磁控溅射靶11，启动过滤电弧离子源1，本发明制备非晶四面体碳，采用一种S型过滤阴极电弧离子源1，离子源的工作气压为2×10^-2Pa，电弧电流为80A，石墨靶阴极12的碳纯度为99.99％，首先通过电弧放电产生的局部高温由石墨表面气化出碳原子和碳分子，碳原子和碳分子在放电室中进一步电离形成碳离子，经过图3所示的一个S型双弯管磁过滤装置2，磁过滤装置2电流为10A，中性碳原子和碳分子被过滤掉，提高了薄膜硬度，降低表面粗糙度，通过磁过滤装置2过滤后的碳离子沉积在基体表面，形成超硬的非晶四面体碳薄膜。石墨颗粒沉积过程中，偏压采用直流脉冲，电源占宽比为50％，偏压幅值为120V，工件转盘以3r/min的线速度旋转，以保证工件涂层在横向均匀，由一个磁扫描线圈沿基体的纵向扫描，保证涂层的均匀性，扫描的频率为50Hz，基体温度≤80C°，基体的涂层厚度为300nm。

为了保证薄膜纯度，采用纯度为99.99％的石墨靶，为了保证薄膜高SP³键含量，偏压要稳定，沉积离子能量控制在80-120eV。

在上述工艺条件下，可以保证硬质合金和高速钢材料表面制备出非晶四面体碳膜具有良好的结合力，薄膜与基体之间的结合力≥35N，涂层表面粗糙度≤0.25nm，如图5所示；通过对照涂层拉曼光谱可以看出涂层的SP³键结构含量≥85％，如图4所示；通过图6可以看出涂层的摩擦系数≤0.15。通过栓盘实验对涂层的摩擦磨损性能进行检测，在干摩擦条件下，摩擦副为直径4mm轴承钢珠时，摩擦系数为0.08-0.12之间。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，凡根据本发明精神实质所作的任何简单修改及等效结构变换或修饰，均属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (2)

1.一种硬质合金、高速钢材料表面制备非晶碳复合涂层的方法，所述的硬质合金、高速钢材料统称为基体，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(1)基体预处理：首先对基体表面进行除油，然后放入丙酮溶液中，用超声波清洗，酒精脱水，氮气吹干；

(2)离子清洗：将预处理后的基体放入镀膜机真空室的转台上进行离子清洗；

(3)镀制涂层：将经过离子清洗后的基体采用磁控溅射装置镀CrTiAlN涂层；

(4)形成非晶碳薄膜：关闭磁控溅射装置，启动过滤电弧离子源，离子源的工作气压为2×10^-2Pa，电弧电流为80A，石墨靶阴极的碳纯度为99.99％，通过电弧放电由石墨表面气化出碳原子和碳分子，碳原子和碳分子在放电室中进一步电离形成碳离子，经过磁过滤装置过滤掉中性碳原子和碳分子，过滤后的碳离子沉积在基体表面，形成超硬的非晶四面体碳薄膜；

所述步骤(2)中离子清洗是指，采用冷阴极离子源，进行离子清洗，离子源通入氩气，流量为12sccm，保持真空室气压2×10^-2Pa，离子源的放电电压为400V-600V，放电电流为100mA-200mA，引出电压为1000V-1200V，引出电流50mA-100mA，轰击基体10-30分钟，离子源纵向均匀尺寸为40mm，转台以3r/min的线速度旋转，保证横向清洗均匀；

所述步骤(3)中采用磁控溅射装置镀CrTiAlN涂层是指，在偏压为200V，占空比1∶1，气压为4.0x10^-1Pa情况下充入N₂和Ar混合气体，流量比例为7.2∶150，启动Cr、Ti、Al三个磁控溅射靶，溅射电流分别为：Al：1.8A、Ti：7.0A、Cr：1.8A，溅射电压分别为：Al：560V、Ti：400V、Cr：440V，镀制时间为40min，转台以3r/min的线速度旋转，保证横向镀膜均匀，涂层厚度800nm；

所述步骤(4)中碳离子沉积是指，偏压采用直流脉冲，电源占宽比为1∶1，偏压幅值为120V，转台以3r/min的线速度旋转，保证基体涂层横向均匀，磁场扫描线圈沿基体的纵向扫描，扫描的频率为50Hz，基体温度≤80C°，基体的薄膜厚度为300nm。

2.根据权利要求1所述的一种硬质合金、高速钢材料表面制备非晶碳复合涂层的方法，其特征在于：基体表面形成的非晶碳薄膜涂层为非晶结构，涂层中SP³键结构含量≥85％，硬度≥85GPa，摩擦系数≤0.15，薄膜与基体之间的结合力≥35N。

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