CN105369199A - 一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法 - Google Patents

一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105369199A
CN105369199A CN201510665765.1A CN201510665765A CN105369199A CN 105369199 A CN105369199 A CN 105369199A CN 201510665765 A CN201510665765 A CN 201510665765A CN 105369199 A CN105369199 A CN 105369199A
Authority
CN
China
Prior art keywords
film
carbon
base film
preparation
weares
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510665765.1A
Other languages
English (en)
Inventor
江晓红
庄玉召
亚历山大·罗加乔夫
德米特里·冰利普左夫
刘光辉
田清岭
朱书茵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN201510665765.1A priority Critical patent/CN105369199A/zh
Publication of CN105369199A publication Critical patent/CN105369199A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明公开了一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法，选用磁过滤真空阴极电弧设备对真空室中旋转夹上金属材料用高能氩离子轰击，待真空室冷却至室温，用磁分离金属等离子体直流弧蒸发器沉积一定厚度的铬过渡层，接着同时启动磁过滤直流阴极弧和脉冲阴极弧蒸发制备铬掺杂非晶碳膜，并惰性气氛围中选用合适温度和时间做退火处理。本发明制备的薄膜具有硬度大、耐摩擦磨损、抗腐蚀等性能，满足一些特殊环境中使用的金属材料表面防护。

Description

一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法
技术领域
本发明属于薄膜材料技术领域，涉及一种集高硬度，耐摩擦磨损，抗腐蚀性能于一体的碳基薄膜的制备方法。
背景技术
材料腐蚀是指材料受环境作用而发生破坏或变质从而失去原有功能的现象。腐蚀遍及各行各业，其中以海洋中钢铁腐蚀消耗最为严重，且防腐蚀成本较大。类金刚石薄膜主要由金刚石结构的sp3碳原子和石墨结构的sp2碳原子相互混杂而成的三维网络结构，具有高硬度、低摩擦系数、耐磨损、耐腐蚀性和化学稳定性好等众多优良的性能，几乎不溶于任何酸、碱和有机溶液。因此用它作为防护薄膜，不仅可以提供一般薄膜不具备的机械力学性能，还可以有效阻挡氧气和溶液的渗透，从而满足特殊环境下使用的钢材的表面防护。但薄膜自身的缺陷，如针孔、界面结合弱等严重削弱薄膜的抗腐蚀性能，降低其服役寿命。铬元素易被氧化，能迅速形成Cr2O3钝化膜隔绝氧化介质起到防腐蚀目的，因而被广泛应用在钢材防腐蚀中。若能实现铬元素和类金刚石薄膜性能的复合，有效弥补类金刚石薄膜的缺陷，那么获得集硬度高、耐摩擦磨损，耐腐蚀等众多优良性能于一体防护薄膜成为可能。
磁过滤真空阴极电弧设备集成碳等离子体脉冲阴极弧发生器、磁分离金属等离子体直流弧蒸发器和离子溅射源。具有输出的等离子体能量高，膜基结合力强，成膜速率快，适合工业生产等优点。其中碳等离子体脉冲阴极弧发生器利用在电场作用下产生的脉冲阴极弧不断侵蚀碳靶表面使其蒸发生成碳等离子体，在基底负偏压作用下轰击基底形成非晶碳膜；磁分离金属等离子体直流弧蒸发器通过在真空中的点弧装置引燃点弧，在电源和磁场共同作用下，阴极弧在金属靶表面游动并使金属蒸发，大部分蒸发金属在靶前高势垒的场致效应下被离化成金属离子，通过磁场过滤高速轰击基底形成金属薄膜或实现金属元素掺杂；离子溅射源主要用来刻蚀活化基底，增加基底材料表面能，提高结合力。
对非晶碳膜的缺陷做了针对性研究：强度低主要是由于薄膜中的残余应力和膜基间晶格结构和物理性能错配造成，可通过离子轰击基底、采用室温镀膜、添加铬过渡层及退火处理提高结合力；针孔表明薄膜不够致密，通过调节薄膜制备参数用高能量碳离子沉积、元素掺杂和退火处理也可以提高薄膜致密度。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案是：一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法，选用磁过滤真空阴极电弧设备对真空室中旋转夹上金属材料用高能氩离子轰击，待真空室冷却至室温，用磁分离金属等离子体直流弧蒸发器沉积一定厚度的铬过渡层，接着同时启动磁过滤直流阴极弧和脉冲阴极弧蒸发制备铬掺杂非晶碳膜，并惰性气氛围中选用合适温度和时间做退火处理，具体包括如下步骤：
第一步：金属材料表面预处理；
第二步：预处理后的金属材料表面刻蚀活化；
第三步：在活化后的金属材料表面蒸镀一定厚度的铬过渡层；
第四步：在铬过渡层上施镀铬掺杂类金刚石碳基薄膜；
第五步：将第五步制备的薄膜在惰性气氛中表面退火处理。
第一步中，预处理是指将金属材料依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声预处理10-20min。
第二步中，刻蚀活化是指利用钨丝使氩气离化成高能氩离子轰击金属基材表面并持续10-20min。
第三步中，铬过渡层采用磁过滤直流阴极弧蒸发装置蒸镀，直流阴极弧电流为5～300A，铬过渡层厚度为10-200nm。
第四步中，施镀铬掺杂类金刚石碳基薄膜磁过滤直流阴极弧蒸发装置和脉冲阴极弧蒸发装置，直流阴极弧电流为5～300A，脉冲频率为5～35Hz，铬掺杂类金刚石碳基薄膜为200～500nm。
第五步中，惰性气氛为氮气或氩气等气体，退火温度为200～450℃，退火时间为20～60min。
本发明的优点如下：(1)选用磁过滤真空阴极电弧设备，可以利用磁场过滤筛除大颗粒，调控等离子体能量，提高薄膜的质量和性能(2)采用室温沉积降低薄膜的残余应力，设计的铬过渡层提高膜基间结合强度，铬掺杂有效改善薄膜的缺陷提高薄膜性能(3制备的薄膜具有众多优良性能，如硬度大，耐摩擦磨损，抗腐蚀等性能，满足一些特殊环境中使用的金属材料表面防护，涡轮发动机叶片，化工品容器等。
附图说明
附图1是实施实例1制备的薄膜Raman光谱图。
附图3是实施实例2制备薄膜的表面形貌及接触角。
附图4是实施实例2制备薄膜的硬度与弹性模量。
附图5是实施实例3制备薄膜的摩擦系数测试结果图。
附图6是实施实例3制备的薄膜耐磨性测试结果图。
附图7是实施实例3制备制备的薄膜耐腐蚀性测试结果及腐蚀后表面形貌。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施实例1
如图1、图2、图3中的薄膜制备步骤:
第一步：金属材料依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗10min，用吹风机烘干保存；
第二步：把金属材料放入真空室内旋转台上，调节转速至2r/min，关闭真空舱舱门，抽真空；
第三步：待真空室压力达到5x10-6Pa，向真空室内通入氩气，启动离子溅射源，溅射清洗活化15min，关闭离子溅射源，关闭氩气阀门，等待真空室冷却至室温；
第四步：待真空室内温度降到室温，启动磁过滤直流阴极弧蒸发装置，设置为阴极弧电流为50A，沉积铬过渡层2min；
第五步：启动脉冲阴极弧蒸发装置，设置脉冲频率5Hz，蒸镀铬掺杂类金刚石薄膜5min，取出薄膜；
第六步：重复第一步至第四步，第五步分别设置脉冲频率10Hz，15Hz、20Hz制备铬掺杂类金刚石薄膜；
第七步：把所有的薄膜刚在通入氮气的管式炉中退火处理，退火温度300。C，退火30min。
由图1可知，不同频率下制备的薄膜在1500cm均出现类金刚石薄膜的不对称特征峰，通过Gauss拟合可以得到在1360cm-1附近的D峰和1580cm-1附近的G峰；图2展示不同频率制备的薄膜的三维表面形貌图，可以发现10Hz制备的薄膜表面较为平滑，颗粒较少，且通过接触角比较可知10Hz制备的薄膜接触角高达101.19，疏水效果明显；图3展示各薄膜在相同溶液中浸泡相同时间后的表面形貌，可知腐蚀主要是从薄膜便面缺陷处发生，向四周及基底扩散。
实施方实例2
如图4、图5、图6中的薄膜，制备步骤：
第一步：金属材料依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗10min，用吹风机烘干保存；
第二步：把金属材料放入真空室内旋转台上，调节转速至2r/min，关闭真空舱舱门，抽真空；
第三步：待真空室压力达到5x10-6Pa，向真空室内通入氩气，启动离子溅射源，溅射清洗活化15min，关闭离子溅射源，关闭氩气阀门，等待真空室冷却至室温；
第四步：待真空室内温度降到室温，启动磁过滤直流阴极弧蒸发装置，设置为阴极弧电流为50A，沉积铬过渡层3min；
第五步：启动脉冲阴极弧蒸发装置，设置脉冲频率10Hz，蒸镀铬掺杂类金刚石薄膜5min，取出薄膜；
第六步：重复第一步至第三步，其中在第四步分别设置阴极弧电流为60A、70A、80A，制备不同铬含量的掺杂类金刚石薄膜，然后重复第五步；
第七步：把所有的薄膜刚在通入氮气的管式炉中退火处理，退火温度300。C，退火30min。
由图4可知60A和70A时制备的薄膜摩擦系数较低，在0.067～0.1之间，而50A和80A制备的薄膜摩擦系数相对较高，均大于0.15；图5可知50A时制备的薄膜磨损严重，而60A时制备的薄膜耐磨损性能略优于70A时制备的薄膜，80A时薄膜表现出优异的抗磨损性能；图6则表明不同薄膜的硬度及弹性模量，80A时薄膜的硬度及弹性模量最大，60A制备的薄膜次之，其它两个薄膜硬度和弹性模量较小。
实施方实例3
如图7中的薄膜，制备步骤：
第一步：金属材料依次在丙酮、无水乙醇、去离子水中超声清洗10min，用吹风机烘干保存；
第二步：把金属材料放入真空室内旋转台上，调节转速至2r/min，关闭真空舱舱门，抽真空；
第三步：待真空室压力达到5x10-6Pa，向真空室内通入氩气，启动离子溅射源，溅射清洗活化15min，关闭离子溅射源，关闭氩气阀门，等待真空室冷却至室温；
第四步：待真空室内温度降到室温，启动磁过滤直流阴极弧蒸发装置，设置为阴极弧电流为60A，沉积铬过渡层3min；
第五步：启动脉冲阴极弧蒸发装置，设置脉冲频率10Hz，蒸镀铬掺杂类金刚石薄膜3min，取出薄膜；
第六步：重复第一步至第五步，其中在第五步中10H在频率下，分别镀膜5min、7min、9min制备不同厚度的铬掺杂类金刚石薄膜；
第七步：把所有的薄膜刚在通入氮气的管式炉中退火处理，退火温度350。C，退火35min。
图7展示不同时间沉积薄膜在模拟海水中的Tafel极化曲线，可知随着镀膜时间增加，薄膜的耐腐蚀也越来越好。

Claims (6)

1.一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
第一步：金属材料表面预处理；
第二步：预处理后的金属材料表面刻蚀活化；
第三步：在活化后的金属材料表面蒸镀一定厚度的铬过渡层；
第四步：在铬过渡层上施镀铬掺杂类金刚石碳基薄膜；
第五步：将第五步制备的薄膜在惰性气氛中表面退火处理。
2.如权利要求1所述的耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法，其特征在于，第一步中，预处理是指将金属材料依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声预处理10-20min。
3.如权利要求1所述的耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法，其特征在于，第二步中，刻蚀活化是指利用钨丝使氩气离化成高能氩离子轰击金属基材表面并持续10-20min。
4.如权利要求1所述的耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法，其特征在于，第三步中，铬过渡层采用磁过滤直流阴极弧蒸发装置蒸镀，直流阴极弧电流为5～300A，铬过渡层厚度为10-200nm。
5.如权利要求1所述的耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法，其特征在于，第四步中，施镀铬掺杂类金刚石碳基薄膜磁过滤直流阴极弧蒸发装置和脉冲阴极弧蒸发装置，直流阴极弧电流为5～300A，脉冲频率为5～35Hz，铬掺杂类金刚石碳基薄膜为200～500nm。
6.如权利要求1所述的耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法，其特征在于，第五步中，惰性气氛为氮气或氩气等气体，退火温度为200～450℃，退火时间为20～60min。
CN201510665765.1A 2015-10-15 2015-10-15 一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法 Pending CN105369199A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510665765.1A CN105369199A (zh) 2015-10-15 2015-10-15 一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510665765.1A CN105369199A (zh) 2015-10-15 2015-10-15 一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105369199A true CN105369199A (zh) 2016-03-02

Family

ID=55371819

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510665765.1A Pending CN105369199A (zh) 2015-10-15 2015-10-15 一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105369199A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107338414A (zh) * 2016-05-03 2017-11-10 大连金泰表面工程科技有限公司 导电,抗腐蚀,耐磨损,高硬度类金刚石涂层的制备方法
CN108456883A (zh) * 2017-02-20 2018-08-28 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种基体表面碳基减摩耐磨薄膜的制备方法
CN109023223A (zh) * 2018-09-03 2018-12-18 辽宁科技大学 一种利用低温等离子体的金属表面发蓝方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1289861A (zh) * 1999-09-29 2001-04-04 永源科技股份有限公司 阴极电弧蒸镀方式淀积类金刚石碳膜的制备方法
CN101792898A (zh) * 2010-04-09 2010-08-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种提高镁合金抗磨损性能的碳膜及其制备方法
US20110256426A1 (en) * 2003-07-08 2011-10-20 Fuji Electric Co. Ltd. Vacuum arc evaporation apparatus and method, and magnetic recording medium formed thereby
CN102965619A (zh) * 2012-12-07 2013-03-13 中国地质大学（北京） 一种多元金属掺杂无氢类金刚石碳膜的制备方法
CN104141109A (zh) * 2014-06-19 2014-11-12 武汉大学 钛金属表面原位合成TiC-DLC复合涂层的方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1289861A (zh) * 1999-09-29 2001-04-04 永源科技股份有限公司 阴极电弧蒸镀方式淀积类金刚石碳膜的制备方法
US20110256426A1 (en) * 2003-07-08 2011-10-20 Fuji Electric Co. Ltd. Vacuum arc evaporation apparatus and method, and magnetic recording medium formed thereby
CN101792898A (zh) * 2010-04-09 2010-08-04 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种提高镁合金抗磨损性能的碳膜及其制备方法
CN102965619A (zh) * 2012-12-07 2013-03-13 中国地质大学（北京） 一种多元金属掺杂无氢类金刚石碳膜的制备方法
CN104141109A (zh) * 2014-06-19 2014-11-12 武汉大学 钛金属表面原位合成TiC-DLC复合涂层的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
YUZHAO ZHUANG ET AL.: ""Influences of pulse frequency on the structure and anti-corrosion properties of the a-C:Cr films"", 《APPLIED SURFACE SCIENCE》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107338414A (zh) * 2016-05-03 2017-11-10 大连金泰表面工程科技有限公司 导电,抗腐蚀,耐磨损,高硬度类金刚石涂层的制备方法
CN108456883A (zh) * 2017-02-20 2018-08-28 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种基体表面碳基减摩耐磨薄膜的制备方法
CN109023223A (zh) * 2018-09-03 2018-12-18 辽宁科技大学 一种利用低温等离子体的金属表面发蓝方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103409722B (zh) 一种在航空发动机压气机叶片表面制备抗侵蚀涂层的方法
Zhou et al. Microstructure, hardness and corrosion behaviour of Ti/TiN multilayer coatings produced by plasma activated EB-PVD
CN108390075B (zh) 抗腐蚀导电膜及其脉冲偏压交替磁控溅射沉积方法和应用
CN103334106B (zh) 一种钛及钛合金球阀密封副和摩擦副的表面硬化处理方法
CN106702330A (zh) 一种碳钢或不锈钢表面基于镀铝层的微弧氧化陶瓷涂层及其制备方法
CN105369199A (zh) 一种耐摩擦磨损抗腐蚀碳基薄膜的制备方法
CN105047958A (zh) 用于燃料电池金属极板的石墨烯复合涂层及其制备方法
CN105970215B (zh) 一种轴承的复合层制备方法及其轴承
CA2916769A1 (en) Tib2 layers and manufacture thereof
CN101294284A (zh) 一种耐冲蚀抗疲劳等离子表面复合强化方法
CN109504947A (zh) 一种CrN涂层、制备方法及应用
CN113718208A (zh) 多弧离子镀抗空蚀镍基金属涂层及其制备方法
CN104372294B (zh) 发动机链条专用销轴及真空离子镀工艺
CN107142478B (zh) 一种新型耐磨耐腐蚀涂层
CN102400091B (zh) 铝合金的表面处理方法及由铝合金制得的壳体
CN102477536A (zh) 壳体及其制造方法
CN105624617A (zh) 电弧离子镀制备致密MCrAlRe型涂层的方法
CN209389136U (zh) 一种金属双极板以及燃料电池
CN101397666A (zh) 一种Zn/ZnS复合固体润滑薄膜及其制备方法
CN105543788A (zh) 一种铁掺杂二硫化钨复合薄膜
CN103956592A (zh) 接地网NiP-DLC复合抗腐蚀防护涂层及制备方法
CN109023265A (zh) CrN/CrNiN纳米多层涂层及其制备方法、纳米多层涂层及其制备方法与应用
CN105112862B (zh) 在纯钆表面形成钆铜合金层的材料及制备方法
CN210163518U (zh) 一种铜合金镀层
CN107034438B (zh) 高速钢丝锥表面涂层制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20160302