CN101787521A - 一种金属硫化物类金刚石复合薄膜的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种金属硫化物DLC复合薄膜的制备方法，特征是首先利用超声波清洗技术去除基体表面污染层，利用离子源产生的惰性气体离子束对基体表面进行离子束轰击清洗，然后在高工件负偏压下利用阴极电弧源产生的金属离子对基体表面进行金属离子轰击清洗，再利用阴极电弧沉积或离子束辅助磁控溅射制备梯度过渡层，在过渡层上利用离子束沉积+磁控溅射合成至少包含W、Mo、Fe中的一种金属元素掺杂DLC膜，离子束沉积通过向离子源中通入含碳气体实现，最后利用离子硫化获得高硫含量的金属硫化物/DLC复合薄膜，硫源采用含硫的气体。

Description

一种金属硫化物类金刚石复合薄膜的制备方法
所属技术领域：
本发明专利涉及的是一种复合薄膜技术领域的制备方法，具体是一种金属硫化物类金刚石复合薄膜的制备方法。
背景技术：
类金刚石(DLC)膜具有高硬度、高弹性模量、优异的摩擦磨损性能、化学稳定性及生物相容性而被广泛地应用于各个行业。
针对内应力大、膜/基结合力差、热稳定性差等限制DLC膜在苛刻工况下应用的缺点，人们提出了多种解决方案，研制出掺杂不同元素的DLC膜，但也存在一定的不足；如掺杂金属元素一般会导致DLC膜的摩擦系数增大，掺杂F在降低DLC膜摩擦系数的同时会导致DLC膜热稳定性下降。DLC膜在高温下石墨化导致其摩擦磨损下降是急需解决的问题。
金属硫化物是一类应用广泛的固体润滑材料，具有高承载能力、低摩擦系数和耐高温等优点；但存在硬度低和耐磨性差等问题。
金属硫化物/DLC复合薄膜可使DLC膜与金属硫化物膜产生优势互补的效应，实现高硬度、高韧性、低摩擦系数、低磨损率、耐高温等一系列优异性能集合于一体的优异性能。
“Friction properties of co-sputtered sulfide/DLC solid lubricating films”(Surface andCoatings Technology，2006，200：5849-5854)涉及了利用多阴极溅射制备的具有较低摩擦系数的MoS2/DLC和WS2/DLC复合薄膜的技术。专利CN 101550535A所涉及的是利用射频溅射MoS2/WS2(质量比2∶3)复合靶制备DLC复合薄膜。目前都是用溅射方法制备金属硫化物/DLC复合薄膜，制备的复合薄膜的硫含量偏低，这对进一步改进金属硫化物/DLC复合薄膜的摩擦磨损性能不利。
开发金属硫化物/DLC复合薄膜化学成分可以按照需要调控的新型制备技术，对DLC膜在苛刻服役条件下的应用具有重要意义。
发明内容：
为了克服目前金属硫化物DLC复合薄膜制备技术的不足，本发明专利提出了一种金属硫化物DLC复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述方法将离子束刻蚀、离子束辅助沉积、离子束沉积、磁控溅射、离子硫化结合起来，制备多种金属硫化物DLC复合薄膜，该方法依次包括以下步骤：
(1)首先利用超声波清洗技术去除基体表面污染层；
(2)利用离子源产生的惰性气体离子束对基体表面进行离子束刻蚀清洗；
(3)在高工件负偏压下利用阴极电弧源产生的金属离子对基体表面进行金属离子刻蚀清洗；
(4)利用离子束增强磁控溅射制备梯度过渡层；
(5)在制备的梯度过渡层上利用离子束沉积+磁控溅射合成掺杂钨、钼或铁的DLC膜。
(6)在制备的掺杂钨、钼或铁的DLC膜上利用离子硫化制备金属硫化物/DLC复合膜。
所述的制备方法步骤(2)的离子源可采用阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。
所述的制备方法步骤(2)向离子源中通入氩气、氦气、氖气、氪气、氢气中的任何一种气体或几种气体的混合气体。
所述的制备方法步骤(3)的阴极电弧源可采用圆形阴极电弧源、矩形平面阴极电弧源、柱状阴极电弧源中的任何一种阴极电弧源。
所述的制备方法步骤(3)的阴极电弧源靶材为Ti、Cr、Zr、W、Co中的任何一种金属。
所述的制备方法步骤(3)的工件偏压可采用直流偏压、脉冲偏压中的任何一种工件偏压形式，工件偏压的范围为-500V～-2000V。
所述的制备方法步骤(3)向真空室内通入氩气、氦气、氖气、氪气、氢气中的任何一种气体或几种气体的混合气体，真空室压强范围为5×10-3Pa～1Pa。
所述的制备方法步骤(4)离子束增强磁控溅射采用的磁控溅射靶可采用直流磁控溅射靶、中频磁控溅射靶、射频磁控溅射靶中的任何一种磁控溅射靶。
所述的制备方法步骤(4)离子束增强磁控溅射采用的磁控溅射靶材为Ti、Cr、Zr、W、Nb的任何一种金属。
所述的制备方法步骤(4)离子束增强磁控溅射采用的离子源可采用阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。
所述的制备方法步骤(4)离子束增强磁控溅射采用的离子束组成为氩离子、氩/氮混合离子、氩/碳混合离子或氩/氮/碳混合离子，不同离子的比例根据需要控制。
所述的制备方法步骤(4)离子束增强磁控溅射采用的离子束的离子能量为50eV～500eV。
所述的制备方法步骤(4)过渡层包括Ti/TiN/TiCN/TiC、Cr/CrN/CrCN/CrC、Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、W/WC、Nb/NbN/NbC等梯度过渡层。
所述的制备方法步骤(5)采用的磁控溅射靶可采用直流磁控溅射靶、中频磁控溅射靶、射频磁控溅射靶中的任何一种磁控溅射靶。
所述的制备方法步骤(5)靶材含有W、Mo、Fe中的至少一种元素。
所述的制备方法步骤(5)采用的离子源为阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。
所述的制备方法步骤(5)采用的离子源气体为甲烷、乙炔、乙烯、乙醇、丙酮等含碳气体的任何一种气体。
所述的制备方法步骤(6)采用的离子硫化过程中，采用的硫源为固体硫气化生成的气体硫、二硫化氢气体、二硫化碳气体其中的一种，真空室压强范围为5Pa～100Pa。
所述的制备方法步骤(6)采用的离子硫化的电源可采用直流电源、脉冲直流电源中的任何一种电源。
所述的制备方法步骤(6)采用的离子硫化的辉光放电电压的范围为-300V～-1000V。
所述的制备方法步骤(6)采用的离子硫化过程中，工件温度范围为140℃～250℃。
所述的制备方法整个镀膜过程可省略步骤(2)、步骤(3)的一个或两个工序。
本发明专利的优点是充分发挥离子束刻蚀、离子束辅助沉积、离子束沉积、磁控溅射、离子硫化的优点，利用辉光放电和阴极电弧产生的高能离子束刻蚀获得原子级的清洁表面，利用离子束辅助沉积获得高膜/基结合力的梯度过渡层，利用离子束沉积+磁控溅射获得钨、钼、铁含量可按需调控的高性能掺金属DLC薄膜，利用随后的离子硫化技术获得高硫含量的金属硫化物/DLC复合薄膜。
实施方式：
下面结合具体实施例对本发明专利作进一步详细描述，但不作为对本发明专利的限定。
实施例1
首先利用超声波清洗技术去除硬质合金刀具表面污染层；利用阳极层离子源产生的氩离子束轰击清洗刀具表面；然后在-1000V的直流负偏压下利用圆形阴极电弧源产生的钛离子对刀具表面进行离子轰击清洗；再利用阴极电弧沉积制备Ti/TiN/TiCN/TiC梯度过渡层，阴极电弧靶材料为Ti，先后向真空室内通入氩气、氩气/氮气混合气、氮气、氮气/甲烷混合气、甲烷，工件负偏压为-100～-800V；利用离子束沉积+磁控溅射合成同时掺杂W、Mo的DLC膜，离子源采用阳极层离子源，通入阳极层离子源的气体包括氩气和甲烷，磁控溅射靶采用直流磁控溅射靶，靶材为W、Mo；最后利用离子硫化制备WS2/MoS2的DLC复合薄膜，采用脉冲偏压为-300～-500V，真空室中通入的气体为氮气，真空室压强范围为5Pa～20Pa，工件温度为220℃～250℃，硫源为固体硫气化生成的气体硫。
实施例2
首先利用超声波清洗技术去除高速钢模具表面污染层；利用阳极层离子源产生的氩离子束轰击清洗模具表面；然后在-1000V的直流负偏压下利用圆形阴极电弧源产生的铬离子对基体表面进行离子轰击清洗；再利用阴极电弧沉积制备Cr/CrN/CrCN/CrC梯度过渡层，阴极电弧靶材料为Cr，先后向真空室内通入氩气、氩气/氮气混合气、氮气、氮气/甲烷混合气、甲烷，工件负偏压为-100～-800V；利用离子束沉积+磁控溅射合成掺杂W的DLC膜，离子源采用阳极层离子源，通入阳极层离子源的气体包括氩气和甲烷，磁控溅射靶采用直流磁控溅射靶，靶材为W；最后利用离子硫化制备WS2的DLC复合薄膜，采用脉冲偏压为-500V～-600V，真空室中通入的气体为氨气，真空室压强范围为40Pa～100Pa，工件温度为180℃～220℃，硫源为二硫化氢气体。
实施例4
首先利用超声波清洗技术去除轴承钢表面污染层；然后利用样阳极层离子源产生的氩/氢混合离子束轰击清洗轴承钢表面；再利用阳极层离子源辅助中频磁控溅射沉积制备Zr/ZrN/ZrCN/ZrC梯度过渡层，磁控溅射靶材料为Zr，通入阳极层离子源的气体包括氩气、氩气/乙炔混合气，离子束的离子能量为-1000～-2000eV；利用离子束沉积+磁控溅射合成同时掺杂W、Fe的DLC膜，离子源采用阳极层离子源，通入阳极层离子源的气体包括氩气和甲烷，磁控溅射靶采用直流磁控溅射靶，靶材为W、Fe。最后利用离子硫化制备WS2/FeS的DLC复合薄膜，采用脉冲偏压为-800V～-1000V，真空室中通入的气体为氨气，真空室压强范围为10Pa～50Pa，工件温度为140℃～180℃，硫源为二硫化碳气体。

Claims (6)

1.一种金属硫化物DLC复合薄膜的制备方法，其特征在于：所述方法将离子束刻蚀、离子束辅助沉积、离子束沉积、磁控溅射、离子硫化结合起来，制备多种金属硫化物DLC复合薄膜，该方法依次包括以下步骤：
(1)首先利用超声波清洗技术去除基体表面污染层；
(2)利用离子源产生的惰性气体离子束对基体表面进行离子束刻蚀清洗；
(3)在高工件负偏压下利用阴极电弧源产生的金属离子对基体表面进行金属离子刻蚀清洗；
(4)利用离子束增强磁控溅射制备梯度过渡层；
(5)在制备的梯度过渡层上利用离子束沉积+磁控溅射合成掺杂钨、钼或铁的DLC膜。
(6)在制备的掺杂钨、钼或铁的DLC薄膜上利用离子硫化制备金属硫化物/DLC复合膜。
2.按照权利要求1所述的制备金属硫化物DLC复合薄膜的方法，其特征在于：步骤(2)的离子源可采用阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。向离子源中通入氩气、氦气、氖气、氪气、氢气中的任何一种气体或几种气体的混合气体。
3.按照权利要求1所述的制备金属硫化物DLC复合薄膜的方法，其特征在于：步骤(3)的阴极电弧源可采用圆形阴极电弧源、矩形平面阴极电弧源、柱状阴极电弧源中的任何一种阴极电弧源。阴极电弧源靶材为Ti、Cr、Zr、W、Co中的任何一种金属。工件偏压可采用直流偏压、脉冲偏压中的任何一种工件偏压形式，工件偏压的范围为-500V～-2000V。向真空室内通入氩气、氦气、氖气、氪气、氢气中的任何一种气体或几种气体的混合气体，真空室压强范围为5×10-3Pa～1Pa。
4.按照权利要求1所述的制备金属硫化物DLC复合薄膜的方法，其特征在于：步骤(4)离子束增强磁控溅射采用的磁控溅射靶可采用直流磁控溅射靶、中频磁控溅射靶、射频磁控溅射靶中的任何一种磁控溅射靶。离子束增强磁控溅射采用的磁控溅射靶材为Ti、Cr、Zr、W、Nb的任何一种金属。离子束增强磁控溅射采用的离子源可采用阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。离子束增强磁控溅射采用的离子束组成为氩离子、氩/氮混合离子、氩/碳混合离子或氩/氮/碳混合离子，不同离子的比例根据需要控制。离子束增强磁控溅射采用的离子束的离子能量为50eV～500eV。过渡层包括Ti/TiN/TiCN/TiC、Cr/CrN/CrCN/CrC、Zr/ZrN/ZrCN/ZrC、W/WC、Nb/NbN/NbC等梯度过渡层。
5.按照权利要求1所述的制备金属硫化物DLC复合薄膜的方法，其特征在于：步骤(5)采用的磁控溅射靶可采用直流磁控溅射靶、中频磁控溅射靶、射频磁控溅射靶中的任何一种磁控溅射靶。靶材含有W、Mo、Fe中的至少一种元素。采用的离子源为阳极层离子源、霍尔离子源、射频感应耦合离子源、电子回旋共振离子源中的任何一种离子源。采用的离子源气体为甲烷、乙炔、乙烯、乙醇、丙酮等含碳气体的任何一种气体。
6.按照权利要求1所述的制备金属硫化物DLC复合薄膜的方法，其特征在于：步骤(6)采用的离子硫化过程中，采用的硫源为固体硫气化生成的气体硫、二硫化氢气体、二硫化碳气体其中的一种，真空室压强范围为5Pa～100Pa。离子硫化的电源可采用直流电源、脉冲直流电源中的任何一种电源。离子硫化的辉光放电电压的范围为-300V～-1000V。离子硫化过程中，工件温度范围为140℃～250℃。
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