CN103820761A - 一种金属碳化物镀层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属碳化物镀层的制备方法，该方法采用多靶磁控溅射设备，以纯金属（钛、铬等）和石墨为靶材，经过抽真空、通氩气、镀膜等工序制成，本发明提出的金属碳化物镀层的制备方法具有工艺简捷稳定，镀层成分控制精确，工序少、易实现工业化生产的特点。所制备的金属碳化物镀层具有高硬度和低摩擦系数等性能，适合于对高速运转工具，精密工具、模具等表面进行沉积，可赋予工件优良的性能，延长产品的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属碳化物镀层的制备技术，属于材料表面工程技术领域。
背景技术
金属碳化物是指钨、钛、钽、钼、锆、铪、钒、铌、铬等金属元素与碳形成的化合物。常用的金属碳化物镀层有碳化钛、碳化铬、碳化钨等，金属碳化物镀层是一种高熔点、高硬度、耐磨性、耐热性和耐蚀性都很好的镀层材料。它具有较高的抗机械摩擦和抗磨料磨损性能，导热性优良、化学稳定性优异，它的膨胀系数和硬质合金相近，因而与基体结合牢固，适于作硬质合金刀片的镀层。
在各种工模具镀层材料中，金属碳化物镀层因具有较好的综合性能，且硬度比相应的氮化物更高而成为主要选择之一。目前已被广泛应用，例如，采用等离子体辅助化学气相沉积法在490℃下，以TiCl4/CH4/H2/Ar混合气体作为气源，在高速钢表面沉积的TiC镀层，采用真空阴极电弧离子镀技术，输入控制正压二次降压的C2H2+C3H8+Ar混合气来获得CrC镀层。
目前，制备金属碳化物镀层的方法很多，比如：中、高温化学气相沉积，等离子增强化学气相沉积，多弧离子镀，离子束辅助沉积，脉冲高能量密度等离子体沉积，磁控溅射离子镀等。这些制备方法中的碳源大多为气体甲烷（CH4）、乙炔（C2H2）、乙腈（CH3CN）或它们的气体混合物。即通过质量流量计来控制所制备金属碳化物镀层中的碳含量，由于用该方法制备的碳化物镀层存在碳含量不能精确控制，镀层具有高残余应力，以及镀层成分不稳定等问题，导致了所制备的金属碳化物镀层存在摩擦系数偏高（摩擦系数均大于0.6）而降低镀层使用性能的缺点。而这些问题的解决，即在保证不降低镀层硬度的前提下降低镀层的摩擦系数，将可以大幅度提高金属碳化物镀层的综合力学性能，延长其所涂镀的刀具、钻头、模具等产品的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属碳化物镀层的制备方法。本发明采用石墨靶材为镀层中碳的来源制备金属碳化物镀层，厚度均匀，具有高硬度和低摩擦系数等性能，且镀层中碳的含量可精确控制。
我们知道，石墨也是碳存在的一种固体形式，可以做成磁控溅射设备的靶材，这样就可以通过控制石墨靶材电流来调整碳的溅射速率，同时石墨材料还具有极低的摩擦系数，如果所制备镀层中含有少量石墨单质，这无疑会对所制备镀层的摩擦系数会有降低作用，因此本发明所提出的利用磁控溅射制备技术、采用石墨为靶材，通过工艺调整，保证镀层中含有微量石墨单质，这无疑可获得高硬度和低摩擦系数的金属碳化物镀层。
本发明提供的金属碳化物镀层的制备方法，具体制备过程如下：
步骤1、将试样清洗干燥后放入多靶磁控溅射设备的真空室中，并将真空室抽真空到：（3-5）×10-5 Pa；
步骤2、通入氩气，流量为15-22 sccm，同时开启纯金属靶和石墨靶，金属靶电流为1-3 A，石墨靶电流为3-5 A；时间为0.5～2.0 h；镀膜完成后，充气，取出试样。
本发明中的纯金属靶材的材料可以是钛、铬、钨等金属，相应得到的金属碳化物分别为碳化钛、碳化铬、碳化钨。
本发明提供的金属碳化物镀层的制备方法，可以通过控制石墨靶材的电流来控制石墨的溅射率，进而可以精确控制所制备金属碳化物镀层中碳元素的含量。
本发明提供的金属碳化物镀层的制备方法，分别通过调整金属靶材和石墨靶材的电流来控制其溅射率，并保持石墨靶材的溅射率略高于金属靶材的溅射率，以保证最终获得的镀层中主要成分为金属碳化物和少量的石墨单质。
本发明提供的金属碳化物镀层的制备方法所制备镀层中金属碳化物的体积百分含量大于95%，石墨单质的体积百分含量小于5%。
本发明所制备的金属碳化物镀层厚度为2μm～5μm，硬度为2000 HV～2800HV；摩擦系数为0.2~0.3。可作为硬质减摩镀层沉积于精密工具、模具、刀具等表面后延长其使用寿命。
本发明解决的技术关键在于使用石墨靶材来沉积镀层，通过从石墨靶材中溅射出来的碳，与纯金属靶材溅射出来的金属单质，反应生成金属碳化物镀层，尤其是通过对石墨靶材电流的精确控制来调控所制备镀层中碳元素的含量，因此可以根据需要对制备的镀层的成分进行调整和控制。使得所制备的镀层在具有高硬度的同时还具有低摩擦系数。因此该镀层适合于对高速运转工具，精密工具、模具等表面进行沉积，并可赋予沉积了镀层的工件具有优秀的使用性能。
综上所述，本发明的优点和积极效果体现在：
（1）本发明提出的金属碳化物镀层制备方法，以石墨靶材为镀层中碳的来源，成分可控，工艺简捷，设备要求低，易实现产业化生产。
（2）采用本发明技术所制备的金属碳化物镀层具有高硬度的同时还具有低摩擦系数。
（3）本发明所制备的金属碳化物镀层对改善精密工具、模具的耐磨和减摩性能提供了保证，也为获得高使用寿命的镀层产品提供了保证。
具体实施方式
实施例1：
将试样清洗干燥后放入二靶磁控溅射设备的真空室中，二个靶材分别为金属钛靶和石墨靶材，将真空室抽真空至3×10-5 Pa，通入氩气，流量为18 sccm，开启金属钛靶和石墨靶，金属钛靶电流为1.5A，石墨靶电流为2.9 A；时间为1.5 h；镀膜完成后，充气，取出试样。该工艺所得到的碳化钛镀层厚度为3.6 μm，硬度为：2350 HV（载荷为150g条件下），摩擦系数为：0.23。
实施例2：
将试样清洗干燥后放入二靶磁控溅射设备的真空室中，二个靶材分别为金属铬靶和石墨靶材，将真空室抽真空至3.5×10-5 Pa，通入氩气，流量为20 sccm，开启金属铬靶和石墨靶，金属铬靶电流为2.2 A，石墨靶电流为3.5 A；时间为0.6 h；镀膜完成后，充气，取出试样。该工艺所得到的碳化铬镀层厚度为2.2 μm，硬度为：2700 HV（载荷为150g条件下），摩擦系数为：0.21。
实施例3：
将试样清洗干燥后放入二靶磁控溅射设备的真空室中，二个靶材分别为金属钨靶和石墨靶材，将真空室抽真空至4×10-5 Pa，通入氩气，流量为15 sccm，开启金属钨靶和石墨靶，金属钨靶电流为2.6 A，石墨靶电流为4.5 A；时间为2.0 h；镀膜完成后，充气，取出试样。该工艺所得到的碳化钨镀层厚度为4.8 μm，硬度为：2800 HV（载荷为150g条件下），摩擦系数为：0.26。
实施例4：
将试样清洗干燥后放入三靶磁控溅射设备的真空室中，三个靶材分别为二个金属钛靶和一个石墨靶材，将真空室抽真空至3.5×10-5 Pa，通入氩气，流量为21 sccm，开启金属钛靶和石墨靶，二个金属钛靶电流均为1.0 A，石墨靶电流为3.8 A；时间为1.0 h；镀膜完成后，充气，取出试样。该工艺所得到的碳化钛镀层厚度为4.0 μm，硬度为：2500 HV（载荷为150g条件下），摩擦系数为：0.24。
实施例5：
将试样清洗干燥后放入三靶磁控溅射设备的真空室中，三个靶材分别为二个金属铬靶和一个石墨靶材，将真空室抽真空至5×10-5 Pa，通入氩气，流量为22 sccm，开启金属铬靶和石墨靶，二个金属铬靶电流均为1.2 A，石墨靶电流为4.3 A；时间为0.8 h；镀膜完成后，充气，取出试样。该工艺所得到的碳化铬镀层厚度为3.6 μm，硬度为：2650 HV（载荷为150g条件下），摩擦系数为：0.22。
实施例6：
将试样清洗干燥后放入四靶磁控溅射设备的真空室中，四个靶材分别为二个金属钛靶和二个石墨靶材，将真空室抽真空至3.6×10-5 Pa，通入氩气，流量为20 sccm，开启金属钛靶和石墨靶，二个金属钛靶电流均为2.4 A，石墨靶电流均为4.7 A；时间为0.5 h；镀膜完成后，充气，取出试样。该工艺所得到的碳化钛镀层厚度为4.6 μm，硬度为：2600 HV（载荷为150g条件下），摩擦系数为：0.25。
实施例7：
将试样清洗干燥后放入四靶磁控溅射设备的真空室中，四个靶材分别为三个金属铬靶和一个石墨靶材，将真空室抽真空至4.5×10-5 Pa，通入氩气，流量为16 sccm，开启金属铬靶和石墨靶，三个金属铬靶电流均为1.0 A，石墨靶电流为5.0 A；时间为0.5 h；镀膜完成后，充气，取出试样。该工艺所得到的碳化铬镀层厚度为4.6 μm，硬度为：2400 HV（载荷为150g条件下），摩擦系数为：0.22。
实施例8：
将试样清洗干燥后放入四靶磁控溅射设备的真空室中，四个靶材分别为二个金属钛靶和二个石墨靶材，将真空室抽真空至3.0×10-5 Pa，通入氩气，流量为15 sccm，开启金属钛靶和石墨靶，二个金属钛靶电流分别为1.4 A和1.1 A，石墨靶电流分别为2.3 A和2.7 A；时间为1.2 h；镀膜完成后，充气，取出试样。该工艺所得到的碳化钛镀层厚度为4.1 μm，硬度为：2650 HV（载荷为150g条件下），摩擦系数为：0.20。
Claims (5)
1.一种金属碳化物镀层的制备方法，其特征在于：具体包括下列步骤：
步骤1、将试样清洗干燥后放入多靶磁控溅射设备的真空室中，并将真空室抽真空到：（3-5）×10-5 Pa；
步骤2、通入氩气，流量为15-22 sccm，同时开启纯金属靶和石墨靶，金属靶电流为1-3 A，石墨靶电流为3-5 A；时间为0.5～2.0 h；镀膜完成后，充气，取出试样。
2.根据权利要求1所述的金属碳化物镀层的制备方法，其特征在于纯金属靶材的材料可以是钛、铬、钨等金属。
3.根据权利要求1所述的金属碳化物镀层的制备方法，其特征在于可以通过控制石墨靶材的电流来控制石墨的溅射率，进而可以精确控制所制备金属碳化物镀层中碳元素的含量。
4.根据权利要求1所述的金属碳化物镀层的制备方法，其特征在于镀层制备过程中，分别通过调整金属靶材和石墨靶材的电流来控制其溅射率，并保持石墨靶材的溅射率略高于金属靶材的溅射率，以保证最终获得的镀层中主要成分为金属碳化物和少量的石墨单质。
5.根据权利要求1所述的金属碳化物镀层的制备方法，其特征在于所制备镀层中金属碳化物的体积百分含量大于95%，石墨单质的体积百分含量小于5%。
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