CN103160794A - 在碳素钢或球墨铸铁表面制备类金刚石薄膜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在碳素钢或球墨铸铁表面制备类金刚石薄膜的方法。采用高频双极脉冲磁控溅射在碳素钢或球墨铸铁表面制备结合强度高的类金刚石薄膜。磁控溅射工艺成熟、设备简单、沉积温度低、成膜均匀、重复性好的优点结合高频脉冲的高离化率，在碳素钢或球墨铸铁表面获得结合力高，摩擦学性能优良的类金刚石薄膜。薄膜粘着层厚度为0.2～1μm，承载层厚度为1～3μm，表层厚度为1～10μm，薄膜结合力≥65N。
Description
技术领域
本发明涉及一种在碳素钢或球墨铸铁表面制备类金刚石薄膜的方法，具体是利用高频高功率脉冲溅射技术在碳素钢或球墨铸铁表面制备具有高结合力的类金刚石薄膜方法。
背景技术
金刚石薄膜具有高硬度、低摩擦系数和磨损率、良好的耐腐蚀和生物相容性、以及自润滑等性能，在刀具、模具处理、数控机床轨道、轴承等诸多方面有着潜在的应用。但是由于热匹配、结构匹配导致的类金刚石薄膜在基材表面结合力差，容易脱落等现象，严重制约了类金刚石薄膜在航空航天、汽车、机电领域的应用。在这些领域，通常设备运行条件都比较苛刻，冲击压力、高温、油烟腐蚀等。这就不仅要就类金刚石膜具有其本身的优异性能，更要求薄膜具有高的结合力，良好的环境适应性等。
通常提高结合力的方法是选择与基材匹配的材料作为粘结层、中间有一个成分渐变过渡层、和类金刚石具有良好匹配的亚表层和类金刚石薄膜本身。为了提高类金刚石薄膜在底材上的结合力，出了选择结构和热膨胀系数匹配的材料外，阴极弧、磁过滤阴极弧、磁控溅射等。阴极弧和磁过滤阴极弧都可以提供较高的离化能量，阴极弧容易放大使用，但是阴极弧产生的大液滴是薄膜表面粗糙。磁过滤是为了克服阴极弧这个缺点对的改进，但其结构复杂、不利于工业化生产。磁控溅射由于容易放大，因此在工业上得到广泛的应用。
发明内容
本发明在目的在于提供一种在碳素钢或球墨铸铁表面制备类金刚石薄膜的方法。
高频脉冲电源是最近新发展起来的脉冲溅射电源，脉冲电源频率＞50KHz会出现特异离化性能：离化率提高(1016m-3)，高能离子数量增加。这有利于薄膜生长过程中获得更多的高能离子能量，有利于提高薄膜结合力和改善薄膜结构。我们通过提高离化率来改善薄膜结合力，对推广类金刚石薄膜的进一步应用也有重要意义。
本发明采用高频双极脉冲磁控溅射在碳素钢或球墨铸铁表面制备结合强度高的类金刚石薄膜。磁控溅射工艺成熟、设备简单、沉积温度低、成膜均匀、重复性好的优点结合高频脉冲的高离化率，在碳素钢或球墨铸铁表面获得结合力高，摩擦学性能优良的类金刚石薄膜，进一步拓展了类金刚石薄膜应用的途径。
一种在碳素钢或球墨铸铁表面制备类金刚石薄膜的方法，其特征在于该方法依次步骤为：
A将碳素钢或球墨铸铁进行常规除油清洗，然后在丙酮和乙醇溶液中依次进行超声清洗；
B将将碳素钢或球墨铸铁样品置于多靶溅射真空系统中并预抽真空至2×10-3Pa；
C高频脉冲磁控溅射粘着层，以金属Ti靶或Cr靶为阴极，工作气体为氩气，沉积时间10～30min；
D反应磁控溅射缓冲层，以金属靶为阴极，工作气体为氩气和甲烷或氩气和乙烯，沉积时间30～60min；
E反应溅射沉积成分渐变复合类金刚石薄膜，工作气体为氩气和甲烷或氩气和乙烯，沉积时间20～120min；自然冷却后得到多层类金刚石复合薄膜。
本发明简单易行，在碳素钢或球墨铸铁等表面制备的复合类金刚石薄膜依次由基材、粘着层、缓冲层和功能层组成。
粘着层由Cr、Mo、Ti、Zr、W构成，缓冲层是梯度变化的金属碳化物组成，功能层即类金刚石薄膜。多层类金刚石复合薄膜，粘着层厚度为0.2～1μm、承载层厚度为1～3μm，表层厚度为1～10μm。
本发明方法制备的薄膜结合力≥65N，摩擦系数低至0.04N。
本发明具有以下特点：
本发明制备的薄膜具有结合力强，摩擦系数低，具有良好的自润滑性能，可能在刀具、模具处理、数控机床轨道等方面得到应用。
本发明属于真空表面处理范畴，没有废水废气等污染物，属于环境友好。真空沉积的薄膜硬度高、表面光洁度好、摩擦系数低、有能力降低能耗、提高设备使用寿命和可靠性。
具体实施方式
实施例1
取碳素钢片，碳素钢表面高结合力合类金刚石薄膜由基体/Ti层/梯度TiC层/类金刚石层，处理工艺按照以下步骤进行：(1)将碳素钢进行常规除油清洗，然后在三氯甲烷溶液中依次进行超声清洗；(2)将碳素钢置于多靶复合溅射沉积系统进行氩等离子体溅射清洗，氩气气压2～5Pa，偏压为1000～1600V，频率60～200KHz，15～20min；(3)磁控溅射镀Ti层，金属Ti靶为阴极，处理时间15～30min，偏压600～1200V，频率60～200KHz；靶电流8～20A，频率60～200KHz；(4)磁控溅射镀TiC层，15～30min；(5)溅射沉积成分渐变含氢类金刚石薄膜，其他条件保持不变，降低氩气和甲烷流量比到1/3V沉积时间20～120min，自然冷却后得到多层纳米复合类金刚石薄膜。
实施例2
取球墨铸铁钢块，球墨铸铁表面类金刚石薄膜由涂层基体/Cr层/梯度TiC层/类金刚石层，处理工艺按照以下步骤进行：(1)将球墨铸铁进行常规除油清洗，然后在三氯甲烷溶液中依次进行超声清洗；(2)将球墨铸铁钢块置于多靶复合溅射沉积系统进行氩等离子体溅射清洗，氩气气压2～5Pa，偏压为1000～1600V，频率60～200KHz，15～20min；(3)磁控溅射镀Cr层，金属Cr靶为阴极，处理时间15～30min，偏压600～1200V，频率60～200KHz；靶电流8～20A，频率60～160KHz；(4)磁控溅射镀TiC层，沉积时间10～40min；(5)关闭磁控溅射靶，在保持气氛的条件下调节气压到10～40Pa，偏压800～2000V，频率60～500KHz，沉积30～120分钟后关闭系统，冷却后得到多层纳米复合类金刚石薄膜。
Claims (1)
1.一种在碳素钢或球墨铸铁表面制备类金刚石薄膜的方法，其特征在于该方法依次步骤为：
A将碳素钢或球墨铸铁进行常规除油清洗，然后在丙酮和乙醇溶液中依次进行超声清洗；
B将将碳素钢或球墨铸铁样品置于多靶溅射真空系统中并预抽真空至2×10-3Pa；
C高频脉冲磁控溅射粘着层，以金属Ti靶或Cr靶为阴极，工作气体为氩气，沉积时间10～30min；
D反应磁控溅射缓冲层，以金属靶为阴极，工作气体为氩气和甲烷或氩气和乙烯，沉积时间30～60min；
E反应溅射沉积成分渐变复合类金刚石薄膜，工作气体为氩气和甲烷或氩气和乙烯，沉积时间20～120min；自然冷却后得到多层类金刚石复合薄膜。
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