CN106119783B - 功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品 - Google Patents
功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106119783B CN106119783B CN201610642234.5A CN201610642234A CN106119783B CN 106119783 B CN106119783 B CN 106119783B CN 201610642234 A CN201610642234 A CN 201610642234A CN 106119783 B CN106119783 B CN 106119783B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- diamond
- reacting furnace
- workpiece
- carbon
- layer
- 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.)
- Active
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
- C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
- C23C14/325—Electric arc evaporation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/0021—Reactive sputtering or evaporation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
- C23C14/021—Cleaning or etching treatments
- C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0605—Carbon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0641—Nitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/0664—Carbonitrides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
- C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
- C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/34—Sputtering
- C23C14/46—Sputtering by ion beam produced by an external ion source
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明涉及一种功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品。该功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法包括:(1)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在工件的表面沉积金属基底层;(2)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在所述金属基底层的表面沉积金属氮化物过渡层;(3)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述金属氮化物过渡层的表面沉积金属碳‑氮化物梯度层;(4)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述金属碳‑氮化物梯度层的表面沉积所述类金刚石碳装饰层。本发明提供的制备方法制得的类金刚石碳薄膜具有高光泽度、高界面结合强度、高表面硬度的优点,并且耐磨损、耐腐蚀、防刮花性能优良。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜材料技术领域,特别是涉及功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品。
背景技术
类金刚石碳(Diamond-like Carbon,DLC)薄膜是一种与金刚石膜性能相似的新型薄膜材料,它具有较高的硬度,良好的热传导率,极低的摩擦系数,优异的电绝缘性能,高的化学稳定性及红外透光性能等,已被广泛应用到机械、电子、光学和医学等各个领域。类金刚石薄膜涂层的表面由大量非晶碳簇束组成,其表面均匀、致密,是一种优异的表面抗磨损改性膜。相对一般金刚石膜层而言,类金刚石薄膜沉积温度较低,沉积面积大,膜面平整光滑,工艺比较成熟,并且其弹性模量较小、热膨胀系数较大,可在一定程度下缓解金刚石晶粒之间的相互作用、缓冲薄膜内应力,从而表现出更好的附着力。
目前,类金刚石薄膜摩擦性能的研究主要集中考察其在惰性气体和空气条件下的摩擦学行为,而在水润滑和油润滑方面的研究工作基本尚未开展;同时,DLC膜还存在薄膜-基体结合力差、高温不稳定、摩擦磨损性能受环境影响大等缺陷。
研究表明,通过在DLC薄膜中掺杂其他的金属元素(Ag、Cr、Cu、Fe、Ti等)或者非金属元素(N、Si、F、P、Cl等)可以较好地提高薄膜的力学和摩擦学性能。非金属元素掺杂一般用来降低表面能和改善热稳定性,而金属元素掺杂用来提高硬度和耐磨性,降低摩擦系数。但是由于掺杂对类金刚石薄膜摩擦性能影响的规律比较复杂,许多问题还需要进行更深入的研究。同时,掺杂元素在类金刚石薄膜中的存在状态及其掺杂对类金刚石薄膜质量及性能的影响规律等还存在着一些争议。因此,需要进一步深化对掺杂类金刚石膜的掺杂机理研究,不断完善掺杂理论和掺杂工艺方法从而解决实际应用中存在的问题。
进一步地,DLC薄膜中sp2和sp3杂化键的含量、H的含量以及薄膜的微观结构是影响DLC薄膜性能的主要参数,而薄膜中sp2和sp3含量、H含量以及薄膜的微观结构与制备方法及工艺密切相关。
目前,DLC薄膜的制备主要采用气相沉积方法。根据气相沉积方法原理的不同,可分为物理气相沉积(Physical Vapor Deposition)和化学气相沉积(Chemical VaporDeposition)。物理气相沉积方法的成膜过程比较易控制,膜层致密,但均匀性较差;化学气相沉积方法镀膜面积较大,均匀性较好,可绕射性好,但是成膜温度高,且膜层致密性较差。此外,传统离子镀膜技术多为单一的阴极弧离子镀或磁控溅射离子镀,分别存在着表面大颗粒污染使薄膜表面粗糙度偏高以及离化率偏低导致薄膜结构不够致密等技术缺陷。
低温制备类金刚石薄膜的新型制备工艺主要包括电子回旋微波等离子体沉积、磁过滤真空阴极电弧沉积、等离子注入沉积和高功率脉冲磁控溅射及其复合工艺等。例如,现有技术采用高功率脉冲磁控放电等离子注入沉积的方法在SU201不锈钢基体上制备了包含高结晶度CrN纳米粒子的DLC薄膜,结果发现该方法所制备DLC膜具有很好的薄膜-基体结合力(临界载荷66.8N)和较高的纳米硬度(最高可达24.3GPa)。然而,由于诸如电子回旋微波等离子体沉积、磁过滤真空阴极电弧沉积、等离子注入沉积和高功率脉冲磁控溅射等离子镀膜技术所带来的高昂工艺成本,使得这些新型工艺技术远未达到商业化推广程度。
此外,目前关于DLC薄膜的沉积工艺研究重点关注于提高膜-基体结合力、硬度和韧性的理想匹配等,大都忽略了高表面光洁度和色泽等装饰需求,例如生产环节的中间层或过渡层薄膜沉积过程中不可避免产生的大颗粒等,必然会影响DLC薄膜装饰层的表面质量。
发明内容
基于此,有必要提供一种具有高光泽度、高界面结合强度、高表面硬度,并且耐磨损、耐腐蚀、防刮花性能优良的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法。
一种功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,包括如下步骤:
(1)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在工件的表面沉积金属基底层;
(2)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在所述金属基底层的表面沉积金属氮化物过渡层;
(3)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述金属氮化物过渡层的表面沉积金属碳-氮化物梯度层;
(4)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述金属碳-氮化物梯度层的表面沉积所述类金刚石碳装饰层。
在其中一个实施例中,步骤(1)之前还包括金属离子和高能电子联合轰击的清洗与刻蚀步骤,所述清洗与刻蚀步骤在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、金属靶材阴极弧靶以及用于放置所述工件的反应炉;所述清洗与刻蚀步骤的工艺条件如下:
保持所述反应炉内的真空度为2×10-3~5×10-3Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为80A~120A;
对所述工件施加的脉冲负偏压为-1000V~-400V;
所述阴极金属靶材的弧靶电流为80A~120A;
所述清洗与刻蚀的时间为10min~20min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
进行该清洗与刻蚀步骤时,所述阴极金属靶材优选为与金属基底层的材料相同。
上述清洗与刻蚀步骤的工艺条件优选如下:
保持所述反应炉内的真空度为2×10-3~3×10-3Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为100A~120A;
对所述工件施加的脉冲负偏压为-1000V~-400V;
所述阴极金属靶材的弧靶电流为100A~120A;
所述清洗与刻蚀的时间为10min~20min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
在其中一个实施例中,步骤(4)沉积所述类金刚石碳装饰层后,还包括类金刚石碳装饰层的后处理步骤:
所述后处理步骤在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪以及用于放置沉积有所述类金刚石碳装饰层的工件的反应炉;所述后处理步骤的工艺条件如下:
于所述反应炉中通入N2和/或Ar,并保持所述反应炉内真空度为2×10-2~5×10- 2Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述类金刚石碳装饰层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-100V;
所述后处理的时间为2min~5min,离子轰击的能量控制为0.8KeV~2.4KeV,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
上述后处理步骤的工艺条件优选如下:
于所述反应炉中通入N2或N2和Ar,并保持所述反应炉内真空度为2×10-2~3×10- 2Pa;最优选为同时通入N2和Ar,二者的流量比为Ar:N2=70~85%:15~30%;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述类金刚石碳装饰层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-150V;
所述金属氮化物膜预处理的时间为2min~4min,轰击的能量控制为1.0KeV~2.0KeV,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
在其中一个实施例中,步骤(1)在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、阴极金属靶材以及用于放置所述工件的反应炉;步骤(1)的工艺条件如下:
于所述反应炉中通入适量Ar,并保持所述反应炉内真空度为5×10-3~9×10-3Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为80A~120A;
对所述工件施加的脉冲负偏压为-200V~-100V;
所述阴极金属靶材的弧靶电流为50A~80A;
所述沉积的时间为5min~10min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
上述步骤(1)的工艺条件优选如下:
于所述反应炉中通入适量Ar,并保持所述反应炉内真空度为5×10-3~9×10-3Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为100A~120A;
对所述工件施加的脉冲负偏压为-200V~-150V;
所述阴极金属靶材的弧靶电流为60A~80A;
所述沉积的时间为8min~10min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
在其中一个实施例中,步骤(2)在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、阴极金属靶材以及用于放置沉积有所述金属基底层的工件的反应炉;步骤(2)的工艺条件如下:
于所述反应炉中同时通入Ar和N2,保持Ar和N2的流量比为5%~20%:80%~95%,并保持反应炉内真空度为2.0×10-2~5.0×10-2Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述金属基底层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-100V;
所述阴极金属靶材的弧靶电流为50A~80A;
所述沉积的时间为10min~30min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
上述步骤(2)的工艺条件优选如下:
于所述反应炉中同时通入Ar和N2,保持Ar和N2的流量比为5%~10%:90%~95%,并保持反应炉内真空度为2×10-2~3×10-2Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述金属基底层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-150V;
所述金属靶材阴极弧靶的电流为50A~80A;
所述沉积的时间为15min~30min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
在其中一个实施例中,步骤(3)在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、磁控溅射靶以及用于放置沉积有所述金属氮化物过渡层的工件的反应炉;步骤(3)的工艺条件如下:
于所述反应炉中同时通入C2H2或CH4,以及Ar和N2,保持Ar,C2H2或CH4,N2的流量比为5~10%:8~15%:75~87%,并保持所述反应炉内真空度为2.0×10-2~5.0×10-2Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述金属氮化物过渡层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-100V;
所述磁控溅射靶的电流为50A~80A;
所述沉积的时间为20min~40min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
上述步骤(3)的工艺条件优选如下:
于所述反应炉中同时通入C2H2或CH4,以及Ar和N2,保持Ar,C2H2或CH4,N2的流量比为5~10%:8~15%:75~87%,并保持所述反应炉内真空度为2.0×10-2~3.0×10-2Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述金属氮化物过渡层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-150V;
所述磁控溅射靶的电流为50A~80A;
所述沉积的时间为30min~40min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
在其中一个实施例中,步骤(4)在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、磁控溅射源、辅助线性离子源以及用于放置沉积有所述金属碳-氮化物梯度层的工件的反应炉;步骤(4)的工艺条件如下:
于所述反应炉中同时通入C2H2或CH4,以及Ar,保持Ar和C2H2或CH4的流量比为5%~15%:85%~95%,并保持所述反应炉内真空度为2.0×10-2~5.0×10-2Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述金属碳-氮化物梯度层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-100V;
所述沉积的时间为60min~120min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
上述步骤(4)的工艺条件优选如下:
于所述反应炉中同时通入C2H2或CH4,以及Ar,保持Ar和C2H2或CH4的流量比为8%~12%:88%~92%,并保持所述反应炉内真空度为2.0×10-2~3.0×10-2Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述金属碳-氮化物梯度层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-150V;
所述沉积的时间为100min~120min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
本发明还提供所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法制备得到的功能梯度的类金刚石碳薄膜,所述功能梯度的类金刚石碳薄膜包括:
设置于所述工件的表面的金属基底层;
设置于所述金属基底层表面的金属氮化物过渡层;
设置于所述金属氮化物过渡层的金属碳-氮化物梯度层;
设置于所述金属碳-氮化物梯度层表面的类金刚石碳装饰层。
在其中一个实施例中,所述金属基底层的材料为Cr、Ti、Cr-Al合金或Ti-Al合金;所述金属氮化物过渡层的材料为CrN、TiN、(Cr,Al)N或(Ti,Al)N;所述金属碳-氮化物梯度层的材料为Cr(C,N)、Ti(C,N)、(Cr,Al)(C,N)或(Ti,Al)(C,N)。
本发明还提供一种制品,包括钢工件,以及设置于所述钢工件的表面的所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜。所述钢工件尤其指钟表组件。
本发明的原理及优点如下:
本发明综合利用空心阴极电子束辅助的多弧离子镀与脉冲偏压离子束辅助的磁控溅射复合工艺制备上述功能梯度的类金刚石碳薄膜,能够较好的对膜中sp2和sp3杂化键的含量、H的含量以及薄膜的微观结构进行控制,改善类金刚石碳薄膜内部的缺陷,保证功能梯度的类金刚石碳薄膜优良性能的发挥,同时,还能够降低类金刚石碳薄膜的生产成本,便于工业应用。
进一步地,本发明通过空心阴极脉冲放电与高脉冲偏压复合的金属离子束轰击效应对工件实施离子刻蚀及微量注入并利用高能量氮/氩离子束对功能梯度的类金刚石碳装饰层进行表面粗糙度优化处理,不仅能显著提高功能梯度的类金刚石碳薄膜与工件界面结合力,实现功能梯度的类金刚石碳薄膜硬度与韧性的理想匹配,并且可有效保障类金刚石碳装饰层的表面光洁度和粗糙度,满足工件(如手表外观件)的装饰需求。
首先,现有的真空离子电镀通常采用Ar离子清洗和刻蚀工件表面,使工件表面的杂质、氧化物等脱离,进而改善工件表面状态,但该方法提高薄膜与工件之间的结合力的效果有限。另有部分现有技术采用金属离子轰击的方法,但采用磁控溅射金属离子轰击存在阴极靶易中毒、离化率低、溅射效率低和阳极消失等缺点,导致产生镀膜工艺不稳定、薄膜-工件结合力差;阴极电弧溅射金属离子轰击虽然会提高薄膜-工件结合强度,但会产生大液滴,导致表面粗糙度恶化。
基于此,本发明采用空心阴极脉冲放电与高脉冲偏压的复合技术对工件进行真空镀膜前的金属离子与高能电子协同轰击,不仅能更有效地去除工件表面的氧化皮等,还能够在工件表层注入一层很薄的金属,有利于形成更厚的改性金属层和获得更强的钉扎铆接作用,从而进一步提高工件表面支撑强度和薄膜与工件的结合强度。
其次,目前研究重点大都关注于提高膜-工件结合力、硬度和韧性的理想匹配等,往往忽略了高表面光洁度和靓丽色泽等装饰性需求,例如生产环节的中间层或过渡层薄膜沉积过程中不可避免的大颗粒等必然影响DLC薄膜装饰层的表面质量。
本发明利用高能量氮/氩离子束对功能梯度的类金刚石碳薄膜中的类金刚石碳装饰层进行表面粗糙度优化处理:高能N/Ar离子可以溅射掉或击碎薄膜沉积过程中产生的大颗粒,并与膜层中的原子发生碰撞,使膜层原子重新排列,形核位置增多,孔洞坍塌,其致密度及均匀性得以提高,膜层从而变得连续、光滑、致密。由此有效保障类金刚石碳薄膜装饰层的表面光洁度和粗糙度,满足工件(如手表外观件)的装饰需求。
本发明采用金属/金属氮化物/金属碳-氮化物/DLC(类金刚石碳)的功能梯度设置,利用金属、金属氮化物以及金属碳-氮化物薄膜作为中间层,使工件基体与类金刚石碳薄膜之间逐渐平缓过渡,且各层之间的界面可有效抑制位错移动,具有低剪切特性的金属软层及金属氮化物和金属碳-氮化物中间层可吸收应变能,有效抑制或阻止裂纹产生与扩展,从而使梯度多层薄膜获得硬度与韧性的理想匹配,改善DLC薄膜存在的薄膜-基体结合力差、高温不稳定、摩擦磨损性能受环境影响大等缺陷,制得的功能梯度的类金刚石碳薄膜具有高光泽度、高界面结合强度、高表面硬度,并且耐磨损、耐腐蚀、防刮花性能优良。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明提供的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,采用基于空心阴极电子束辅助多弧离子镀与脉冲偏压离子束辅助的磁控溅射复合工艺,并结合双重离子轰击处理技术和功能梯度多层膜的优化设计在工件(如不锈钢手表外观件)表面制备了具有高光泽度、高界面结合强度、高表面硬度,并且耐磨损、耐腐蚀、防刮花性能优良的功能梯度的类金刚石碳薄膜。
通过金属离子的轰击效应对工件实施离子刻蚀及微量注入,并利用高能量氮/氩离子束对功能梯度的类金刚石碳薄膜的类金刚石碳装饰层进行表面粗糙度优化处理,不仅显著提高功能梯度的类金刚石碳薄膜与工件界面结合力,实现功能梯度的类金刚石碳薄膜硬度与韧性理想匹配,并且可有效保障类金刚石碳薄膜装饰层的表面光洁度和粗糙度,满足工件(如手表外观件)的装饰需求。
本发明提供的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法制得的类金刚石碳薄膜,色泽以灰黑色和枪黑色为主,应用于手表外观件时,可替代国产品牌手表中大都是富含石墨的化学电镀、黑色PVD涂层或阳极氧化铝镁合金表壳等的黑色款式,实现真正意义上的DLC涂层表款。
本发明制得的功能梯度的类金刚石碳薄膜的整体厚度为3.0~5.0μm、表面硬度值达HV3200~4500,经振动研磨测标准试后涂层表面无明显划痕及露底变色等不良现象,并且满足不锈钢手表外观件涂层结合力的ISO标准要求;同时,试样经过120小时ISO标准人工汗腐蚀和盐雾试验测试后,涂层表面亦无腐蚀白点、斑点、锈蚀物以及盐析等不良现象。
本发明提供的功能梯度类金刚石碳薄膜的制备方法,属于环境友好型离子镀膜复合表面技术,设计科学合理、结构制作简单、工艺成本较低,不仅广泛适用于各种异形钢工件,并可用于各类耐磨零部件的表面处理等。
本发明提供的功能梯度类金刚石碳薄膜适用于各种异形的钢工件,如不锈钢手表外观件,并可用于各类耐磨零部件的表面,尤其适用于奥氏体钢件,还可应用于高速钢、硬质合金等耐磨工件等。
附图说明
图1为本发明功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法的流程图;
图2为本发明实施例3中装饰层-类金刚石碳薄膜施加和未施加离子束轰击的功能梯度类金刚石碳薄膜的表面微观形貌SEM照片,其中,
左图为类金刚石碳薄膜未施加离子束轰击,右图为类金刚石碳薄膜施加能量为1.8KeV的Ar离子束轰击。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品作进一步详细的说明。
本发明实施例中采用的镀膜设备基本设置:本发明功能梯度的类金刚石碳薄膜沉积在多用途离子镀膜机中进行。
(1)该多用途离子镀膜机属于多弧靶源、多离子源复合镀膜机,并且其真空室或反应炉顶部设有1个Ta-HCD(hollow cathode discharge)空心阴极放电电子枪。
(2)真空室内安装有4个对称放置的高纯金属Cr、Ti,Cr-Al合金或Ti-Al合金阴极靶材弧源,同时安装4个对称放置的高纯金属Cr或Ti或Cr-Al合金、Ti-Al合金靶材磁控溅射靶材,并与高纯金属Cr、Ti,Cr-Al合金或Ti-Al合金靶材阴极靶材互成90度角。具体地,圆柱形真空室的顶端装有可产生电子束的空心阴极枪;4个高纯金属Cr、Ti,Cr-Al合金或Ti-Al合金靶材多弧阴极靶,相同材质靶材平行于真空室侧壁且对立安置而不同材质靶材则间隔交错地(圆周的四个端点)安置在炉体真空室侧壁上;4个高纯金属Cr、Ti,Cr-Al合金或Ti-Al合金靶材磁控溅射靶垂直于圆柱形真空室侧壁方向并排放置,且位于阴极多弧靶正下方;靶材形状为平面或柱面、优选为柱面。
(3)在真空室或反应炉内样品台能够公转与自转,从而保障工件既可充分与电子束或离子束相互作用,并且可与金属或合金靶材及Ar和N2或CH4或C2H2充分均匀反应;上述反应气体纯度皆不低于99.95at%。
(4)本发明所采用的金属或合金靶材纯度均为99.99at%,其中Cr-Al、Ti-Al合金靶材的原子配比为(Cr/Ti 50%,Al 50%)。
实施例1
本实施例一种功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,流程图见图1,包括如下步骤:
1)不锈钢工件预处理:室温下,将抛光不锈钢手表外观件工件置于盛有环保型水性金属清洗液的超声清洗机中进行表面清洗除油(按照常规方法进行);再将清洗后工件放入乙醇溶液经脱水处理后干燥。
2)工件表面离子清洗与刻蚀:(1)将抛光不锈钢手表外观件工件置于反应炉内并保持反应炉内的真空度为5.0×10-3Pa;(2)启动Ta-HCD电子枪及炉内的加热装置并在Ta-HCD电子枪起弧后控制电流为70A,Ta-HCD源的等离子体电弧直接照射工件表面直到真空室内温度达到120℃;(3)保持反应炉内真空度为5.0×10-3Pa,调整Ta-HCD电子枪电流为80A并对工件施加-400V脉冲偏压;(4)启动高纯金属Cr阴极弧靶材,并控制阴极弧靶的电流为80A,在高能金属离子和高能电子共同作用下轰击工件表面;其中,清洗与刻蚀的工作时间为12分钟,并保持真空室内温度不超过300℃。
3)基底层金属/合金薄膜制备:(1)通入适量Ar气并保持反应炉内的真空度为5.0×10-3Pa,调整Ta-HCD电子枪电流为80A并对工件施加-200V脉冲偏压;(2)保持4个高纯Cr阴极弧靶材开启并控制阴极弧靶电流为60A;(3)基底层薄膜的沉积时间为5分钟并保持真空室内温度不超过300℃。
4)过渡层金属氮化物薄膜制备:(1)同时通入Ar和N2气、保持二者流量比为Ar:N2=10%:90%,并保持反应炉内真空度为5.0×10-2Pa;(2)保持4个高纯Cr阴极弧靶材开启并控制阴极弧靶的电流为60A;(3)控制Ta-HCD电子枪电流为120A并对工件施加-200V脉冲偏压;(4)过渡层-金属氮化物薄膜的沉积时间为10分钟,并保持真空室内温度不超过300℃。
5)梯度层金属碳-氮化物薄膜制备:(1)关闭上述阴极弧靶材,同时开启4个高纯Cr磁控溅射靶,并控制靶电流为80A;(2)同时通入N2、CH4和Ar,控制三者的流量比为Ar:CH4:N2=10%:15%:75%,并保持反应炉内真空度为5.0×10-2Pa;其中N2、CH4从磁控溅射源通入,Ar从工件四周通入;(3)控制Ta-HCD电子枪的电流为120A,并对工件施加-200V脉冲偏压;(4)梯度层-金属碳-氮化物薄膜的沉积时间为20分钟,并保持反应炉真空室内温度不超过300℃。
6)表面层DLC(类金刚石碳)薄膜制备:(1)关闭上述步骤中所有靶材并保持Ta-HCD电子枪的电流为120A,同时对工件施加-200V脉冲偏压;(2)同时通入Ar和CH4,控制二者流量比为Ar:CH4=10%:90%,并保持反应炉内的真空度为5.0×10-2Pa,其中,CH4和Ar一部分从磁控溅射源通入、一部分从辅助线性离子源通入;(3)表面层DLC(类金刚石碳)薄膜即装饰层的沉积时间为60分钟,并保持真空室内温度不超过300℃。
7)高能量氮或氩离子束轰击处理:(1)关闭上述所有靶材,并通过线性离子源通入Ar、保持反应炉内真空度为5.0×10-2Pa;(2)控制Ta-HCD电子枪电流为120A,并对工件施加-200V脉冲偏压;(3)离子轰击的工作时间为5分钟,能量控制在2.3KeV并保持真空室内温度不超过300℃。
工件成品性能检测:本实施例制备不锈钢工件表面镀层为灰黑色。
(1)本发明制备镀层整体厚度为3.4微米,采用HXD-1000TM/LCD数字显示型显微硬度计测试样品表面镀膜显微维氏硬度为3250HV0.025;
(2)表面粗糙度测试:按照GB/T 2523-2008标准要求,采用日本三丰SJ410型粗糙度测试仪测得不锈钢片涂层试样Ra~0.04微米。
(3)涂层结合力测试:按照ISO 27874:2008(E)标准要求,即将试样弯曲成90°再弯曲回到原位置、往复3次,然后在照明灯下用4倍放大镜目测试样,涂/镀层弯曲处的表面无起皱、起泡、剥落、裂痕等不良现象;
(4)耐腐蚀性能测试:首先对不锈钢工件试样进行120h人工汗液腐蚀试验(ISO3160-2:2003),其次对工件试样进行120h的标准盐雾试验测试(ISO 14993:2001),并保证雾化前盐溶液pH值在6.5~7.2(35±2℃);试样经上述实验后其表面涂/镀层无腐蚀白点、斑点、锈蚀物及盐析等不良现象。
(5)耐磨损性能测试:按照ISO 23160:2011标准要求,不锈钢工件试样膜层的耐磨性采用振动研磨试验法测试,经振动研磨测试后,标准316L不锈钢模块的磨削量为4~8mg,并且试样表面涂/镀层应无明显划痕及露底变色等不良现象。
实施例2
本实施例一种功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,包括如下步骤:
1)不锈钢工件预处理:室温下,将抛光不锈钢手表外观件工件置于盛有环保型水性金属清洗液的超声清洗机中进行表面清洗除油;再将清洗后工件放入乙醇溶液经脱水处理后干燥。
2)工件表面离子清洗与刻蚀:(1)将抛光不锈钢手表外观件工件置于反应炉内并保持反应炉内的真空度为2.0×10-3Pa;(2)启动Ta-HCD电子枪及炉内的加热装置并在Ta-HCD电子枪起弧后控制电流为120A,Ta-HCD源的等离子体电弧直接照射工件表面直到真空室内温度达到200℃;(3)保持反应炉内的真空度为2.0×10-3Pa,调整Ta-HCD电子枪电流为120A并对工件施加-400V脉冲偏压;(4)启动高纯金属Ti阴极弧靶材并控制阴极弧靶的电流为120A,在高能金属离子和高能电子共同作用下轰击工件表面;其中,清洗与刻蚀的工作时间为20分钟,并保持真空室内温度不超过300℃。
3)基底层金属/合金薄膜制备:(1)通入适量Ar气并保持反应炉内的真空度为9.0×10-3Pa,调整Ta-HCD电子枪电流为100A并对工件施加脉冲负偏压-200V;(2)保持4个高纯Ti阴极弧靶材开启并控制阴极弧靶电流为60A;(3)基底层薄膜的沉积时间为10分钟,并保持真空室内温度不超过300℃。
4)过渡层金属氮化物薄膜制备:(1)同时通入Ar和N2气、保持二者流量比为Ar:N2=10%:90%,并保持反应炉内真空度为2.0×10-2Pa;(2)保持4个高纯Ti阴极弧靶材开启并控制阴极弧靶的电流为50A;(3)控制Ta-HCD电子枪电流为120A并对工件施加-200V脉冲偏压;(4)过渡层-金属氮化物薄膜的沉积时间为15分钟,并保持真空室内温度不超过300℃。
5)梯度层金属碳-氮化物薄膜制备:(1)关闭上述阴极弧靶材,同时开启4个高纯金属Ti靶材并控制磁控溅射靶电流为50A;(2)同时通入N2、C2H2和Ar,控制三者流量比为Ar:C2H2:N2=5%:8%:87%;其中N2、C2H2从磁控溅射源通入、Ar从工件四周通入,并保持反应炉内真空度为2.0×10-2Pa;(3)控制Ta-HCD电子枪的电流为120A,并对工件施加-200V脉冲偏压;(4)梯度层-金属碳-氮化物薄膜沉积的工作时间为30分钟,并保持反应炉真空室内温度不超过300℃。
6)表面层DLC(类金刚石碳)薄膜制备:(1)关闭上述步骤中所有靶材,保持Ta-HCD电子枪电流为120A并对工件施加-200V脉冲偏压;(2)保持反应炉真空室内的真空度为2.0×10-2Pa,同时通入Ar和C2H2,二者流量比为Ar:C2H2=10%:90%,其中,C2H2和Ar一部分从磁控溅射源通入、一部分从辅助线性离子源通入;(3)装饰层即表面层DLC(类金刚石碳)薄膜的沉积时间为100分钟,并保持真空室内温度不超过300℃。
7)高能量氮或氩离子束轰击处理:(1)关闭上述阴极弧靶材并通过线性离子源通入N2、保持反应炉内真空度为2.0×10-2Pa;(2)控制Ta-HCD电子枪电流为120A,并对工件施加-200V脉冲偏压;(3)离子轰击的工作时间为3分钟、能量控制在2.3KeV,并保持真空室内温度不超过300℃。
工件成品性能检测:本实施例制备不锈钢工件表面镀层为枪黑色。
(1)本发明制备镀层整体厚度为4.2微米,采用HXD-1000TM/LCD数字显示型显微硬度计测试样品表面镀膜显微维氏硬度为3870HV0.025;
(2)表面粗糙度测试:按照GB/T 2523-2008标准要求,采用日本三丰SJ410型粗糙度测试仪测得不锈钢片涂层试样Ra~0.02微米。
(3)涂层结合力测试:按照ISO 27874:2008(E)标准要求,即将试样弯曲成90°再弯曲回到原位置、往复3次,然后在照明灯下用4倍放大镜目测试样,涂/镀层弯曲处的表面无起皱、起泡、剥落、裂痕等不良现象;
(4)耐腐蚀性能测试:首先对不锈钢工件试样进行120h人工汗液腐蚀试验(ISO3160-2:2003),其次对工件试样进行120h的标准盐雾试验测试(ISO 14993:2001),并保证雾化前盐溶液pH值在6.5~7.2(35±2℃);试样经上述实验后其表面涂/镀层无腐蚀白点、斑点、锈蚀物及盐析等不良现象。
(5)耐磨损性能测试:按照ISO 23160:2011标准要求,不锈钢工件试样膜层的耐磨性采用振动研磨试验法测试,经振动研磨测试后,标准316L不锈钢模块的磨削量为4~8mg,并且试样表面涂/镀层应无明显划痕及露底变色等不良现象。
实施例3
本实施例一种功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,包括如下步骤:
1)不锈钢工件预处理:室温下,将抛光不锈钢手表外观件工件置于盛有环保型水性金属清洗液的超声清洗机中进行表面清洗除油;再将清洗后工件放入乙醇溶液经脱水处理后干燥。
2)工件表面离子清洗与刻蚀:(1)将抛光不锈钢手表外观件工件置于反应炉内并保持反应炉内的真空度为2.0×10-3Pa;(2)启动Ta-HCD电子枪及炉内的加热装置并在Ta-HCD电子枪起弧后控制电流为150A,Ta-HCD源等离子体电弧直接照射工件表面直到真空室内温度达到120℃;(3)保持反应炉内真空度为2.0×10-3Pa,调整Ta-HCD电子枪电流为120A并对工件施加-1000V脉冲偏压;(4)启动高纯金属Cr阴极弧靶材并控制阴极弧靶的电流为120A,在高能金属离子和高能电子共同作用下轰击工件表面;其中,清洗与刻蚀的工作时间为20分钟,并保持真空室内温度不超过300℃。
3)基底层金属/合金薄膜制备:(1)通入适量Ar气并保持反应炉内的真空度为5.0×10-3Pa,调整Ta-HCD电子枪电流为120A,并对工件施加-200V脉冲偏压;(2)启动4个高纯金属Cr阴极弧靶材并控制阴极弧靶电流为80A;(3)基底层薄膜的沉积时间为10分钟,并保持真空室内温度不超过300℃。
4)过渡层金属氮化物薄膜制备:(1)同时通入Ar和N2气、保持二者流量比为Ar:N2=5%:95%,并保持反应炉内真空度为2.0×10-2Pa;(2)保持4个高纯金属Cr阴极弧靶材开启,并控制阴极弧靶的电流为80A;(3)控制Ta-HCD电子枪电流为160A并对工件施加-200V脉冲偏压;(4)过渡层-金属氮化物薄膜的沉积时间为30分钟,并保持真空室内温度不超过300℃。
5)梯度层金属碳-氮化物薄膜制备:(1)关闭上述阴极弧靶材,同时开启4个高纯Cr-Al合金磁控溅射靶,并控制靶电流为80A;(2)同时通入N2、CH4和Ar,控制三者流量比为Ar:CH4:N2=10%:15%:75%并保持反应炉内真空度为2.0×10-2Pa;其中N2、CH4从磁控溅射源通入、Ar气从工件四周通入;(3)控制Ta-HCD电子枪电流为160A并对工件施加-200V脉冲偏压;(4)梯度层-金属碳-氮化物薄膜沉积的工作时间为40分钟并保持真空室内温度不超过300℃。
6)表面层DLC(类金刚石碳)薄膜制备:(1)保持Ta-HCD电子枪电流为160A并关闭上述步骤中所有靶材,同时对工件施加-200V脉冲偏压;(2)保持反应炉真空室内的真空度为2.0×10-2Pa,同时通入Ar和CH4,并控制二者流量比为Ar:CH4=10%:90%,其中,CH4和Ar皆是一部分从磁控溅射源通入、一部分从辅助线性离子源通入;(3)装饰层即表面层DLC(类金刚石碳)薄膜的沉积时间为120分钟,并保持真空室内温度不超过300℃。
7)高能量氮或氩离子束轰击处理:(1)关闭上述所有靶材,并通过线性离子源通入N2和Ar,控制二者流量比为Ar:N2=85%:15%并保持反应炉内真空度为2.0×10-2Pa;(2)控制Ta-HCD电子枪的电流为160A,并对工件施加-200V脉冲偏压;(3)离子轰击的工作时间为3分钟、能量控制在1.8KeV,并保持真空室内温度不超过300℃。
工件成品性能检测:本实施例制备不锈钢工件表面镀层为枪黑色。
(1)本发明制备镀层整体厚度为4.9微米,采用HXD-1000TM/LCD数字显示型显微硬度计测试样品表面镀膜显微维氏硬度为4490HV0.025;
(2)表面粗糙度测试:按照GB/T 2523-2008标准要求,采用日本三丰SJ410型粗糙度测试仪测得不锈钢片涂层试样Ra~0.01微米。
(3)涂层结合力测试:按照ISO 27874:2008(E)标准要求,即将试样弯曲成90°再弯曲回到原位置、往复3次,然后在照明灯下用4倍放大镜目测试样,涂/镀层弯曲处的表面应无起皱、起泡、剥落、裂痕等不良现象;
(4)耐腐蚀性能测试:首先对不锈钢工件试样进行120h人工汗液腐蚀试验(ISO3160-2:2003),其次对工件试样进行120h的标准盐雾试验测试(ISO 14993:2001),并保证雾化前盐溶液pH值在6.5~7.2(35±2℃);试样经上述实验后其表面涂/镀层应无腐蚀白点、斑点、锈蚀物及盐析等不良现象。
(5)耐磨损性能测试:按照ISO 23160:2011标准要求,不锈钢工件试样膜层的耐磨性采用振动研磨试验法测试,经振动研磨测试后,标准316L不锈钢模块的磨削量为4~8mg,并且试样表面涂/镀层应无明显划痕及露底变色等不良现象。
实施例4
采用实施例3的工艺参数,通过调整轰击离子类型和能量参数,研究功能梯度的类金刚石碳薄膜的表面质量变化规律。
表1.不同参数对应功能梯度的类金刚石碳薄膜表面粗糙度(微米)
从表1中可见,通过调整类金刚石碳薄膜装饰层表面处理的离子轰击工艺参数可以控制类金刚石碳薄膜装饰层的表面粗糙度,从而实现其表面质量优化。
此外,采用实施例3的工艺参数,进行或不进行步骤6)(即施加或未施加离子束轰击)所得功能梯度类金刚石碳薄膜的表面微观形貌对比如图2所示,可知离子轰击效应显著改善了类金刚石碳装饰层的表面质量。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在工件的表面沉积金属基底层;
(2)通过空心阴极电子束辅助脉冲偏压多弧离子镀在所述金属基底层的表面沉积金属氮化物过渡层;
(3)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述金属氮化物过渡层的表面沉积金属碳-氮化物梯度层;
(4)通过脉冲偏压离子束辅助磁控溅射在所述金属碳-氮化物梯度层的表面沉积类金刚石碳装饰层;
(5)后处理步骤,利用氮/氩离子束对所述类金刚石碳装饰层进行表面粗糙度处理。
2.权利要求1所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)之前还包括金属离子和高能电子联合轰击的清洗与刻蚀步骤,所述清洗与刻蚀步骤在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、阴极金属靶材及用于放置所述工件的反应炉;所述清洗与刻蚀步骤的工艺条件如下:
保持所述反应炉内的真空度为2×10-3~5×10-3Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为80A~120A;
对所述工件施加的脉冲负偏压为-1000V~-400V;
所述阴极金属靶材的弧靶电流为80A~120A;
所述清洗与刻蚀的时间为10min~20min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
3.权利要求1所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,其特征在于,所述后处理步骤在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪以及用于放置沉积有所述类金刚石碳装饰层的工件的反应炉;所述后处理步骤的工艺条件如下:
于所述反应炉中通入N2和/或Ar,并保持所述反应炉内真空度为2×10-2~5×10-2Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述类金刚石碳装饰层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-100V;
所述后处理的时间为2min~5min,离子轰击的能量控制为0.8KeV~2.4KeV,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
4.权利要求1-3任一项所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(1)在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、阴极金属靶材以及用于放置所述工件的反应炉;步骤(1)的工艺条件如下:
于所述反应炉中通入适量Ar,并保持所述反应炉内真空度为5×10-3~9×10-3Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为80A~120A;
对所述工件施加的脉冲负偏压为-200V~-100V;
所述阴极金属靶材的弧靶电流为50A~80A;
所述沉积的时间为5min~10min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
5.权利要求1-3任一项所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(2)在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、阴极金属靶材以及用于放置沉积有所述金属基底层的工件的反应炉;步骤(2)的工艺条件如下:
于所述反应炉中同时通入Ar和N2,保持Ar和N2的流量比为5%~20%:80%~95%,并保持反应炉内真空度为2.0×10-2~5.0×10-2Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述金属基底层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-100V;
所述阴极金属靶材的弧靶电流为50A~80A;
所述沉积的时间为10min~30min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
6.权利要求1-3任一项所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(3)在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、磁控溅射靶以及用于放置沉积有所述金属氮化物过渡层的工件的反应炉;步骤(3)的工艺条件如下:
于所述反应炉中同时通入C2H2或CH4,以及Ar和N2,保持Ar,C2H2或CH4,N2的流量比为5~10%:8~15%:75~87%,并保持所述反应炉内真空度为2.0×10-2~5.0×10-2Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述金属氮化物过渡层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-100V;
所述磁控溅射靶的电流为50A~80A;
所述沉积的时间为20min~40min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
7.权利要求1-3任一项所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法,其特征在于,步骤(4)在离子镀膜机中进行,所述离子镀膜机配置有空心阴极电子枪、磁控溅射源、辅助线性离子源以及用于放置沉积有所述金属碳-氮化物梯度层的工件的反应炉;步骤(4)的工艺条件如下:
于所述反应炉中同时通入C2H2或CH4,以及Ar,保持Ar和C2H2或CH4的流量比为5%~15%:85%~95%,并保持所述反应炉内真空度为2.0×10-2~5.0×10-2Pa;
所述空心阴极电子枪的电流为120A~160A;
对沉积有所述金属碳-氮化物梯度层的工件施加的脉冲负偏压为-200V~-100V;
所述沉积的时间为60min~120min,并保持所述反应炉中的温度不超过300℃。
8.权利要求1-7任一项所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜的制备方法制备得到的功能梯度的类金刚石碳薄膜,所述功能梯度的类金刚石碳薄膜包括:
设置于所述工件的表面的金属基底层;
设置于所述金属基底层表面的金属氮化物过渡层;
设置于所述金属氮化物过渡层的金属碳-氮化物梯度层;
设置于所述金属碳-氮化物梯度层表面的类金刚石碳装饰层。
9.根据权利要求8所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜,其特征在于,所述金属基底层的材料为Cr、Ti、Cr-Al合金或Ti-Al合金;所述金属氮化物过渡层的材料为CrN、TiN、(Cr,Al)N或(Ti,Al)N;所述金属碳-氮化物梯度层的材料为Cr(C,N)、Ti(C,N)、(Cr,Al)(C,N)或(Ti,Al)(C,N)。
10.一种制品,其特征在于,包括钢工件,以及设置于所述钢工件的表面的权利要求8-9中任一项所述的功能梯度的类金刚石碳薄膜。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610642234.5A CN106119783B (zh) | 2016-08-08 | 2016-08-08 | 功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201610642234.5A CN106119783B (zh) | 2016-08-08 | 2016-08-08 | 功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN106119783A CN106119783A (zh) | 2016-11-16 |
CN106119783B true CN106119783B (zh) | 2018-12-11 |
Family
ID=57255950
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201610642234.5A Active CN106119783B (zh) | 2016-08-08 | 2016-08-08 | 功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN106119783B (zh) |
Families Citing this family (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN108374148A (zh) * | 2017-01-04 | 2018-08-07 | 中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所 | 一种基于弧靶中毒效应的类金刚石薄膜制备方法 |
CN107022761B (zh) * | 2017-04-28 | 2023-11-03 | 星弧涂层新材料科技(苏州)股份有限公司 | 基于类金刚石薄膜的复合厚膜及其镀膜方法 |
CN108559964A (zh) * | 2018-07-25 | 2018-09-21 | 衡阳舜达精工科技有限公司 | 一种磁控溅射阴极磁场布置结构及用于制备纳米碳薄膜的方法 |
CN109518157A (zh) * | 2018-12-13 | 2019-03-26 | 北京金轮坤天特种机械有限公司 | 一种内花键及其制备方法和应用 |
CN111850470B (zh) * | 2020-08-04 | 2021-11-19 | 中国科学院兰州化学物理研究所 | 一种超滑性能金属/含氢碳复合薄膜及其制备方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101082131A (zh) * | 2007-07-05 | 2007-12-05 | 中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所 | 不锈钢金属表面镀制类金刚石薄膜的方法 |
CN103056425A (zh) * | 2013-02-27 | 2013-04-24 | 武汉大学 | 一种超硬纳米晶TiN-CN-DLC梯度复合涂层合金钻头及其制备方法 |
CN105385999A (zh) * | 2015-11-25 | 2016-03-09 | 哈尔滨工业大学 | 延长镜头模具钢循环使用寿命的方法 |
CN105568231A (zh) * | 2015-12-25 | 2016-05-11 | 珠海罗西尼表业有限公司 | 钢工件表面上沉积功能梯度纳米多层涂层的方法以及包含所述功能梯度纳米多层涂层的制品 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2015009725A1 (en) * | 2013-07-15 | 2015-01-22 | GM Global Technology Operations LLC | Coated tool and methods of making and using the coated tool |
-
2016
- 2016-08-08 CN CN201610642234.5A patent/CN106119783B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101082131A (zh) * | 2007-07-05 | 2007-12-05 | 中国航天科技集团公司第五研究院第五一○研究所 | 不锈钢金属表面镀制类金刚石薄膜的方法 |
CN103056425A (zh) * | 2013-02-27 | 2013-04-24 | 武汉大学 | 一种超硬纳米晶TiN-CN-DLC梯度复合涂层合金钻头及其制备方法 |
CN105385999A (zh) * | 2015-11-25 | 2016-03-09 | 哈尔滨工业大学 | 延长镜头模具钢循环使用寿命的方法 |
CN105568231A (zh) * | 2015-12-25 | 2016-05-11 | 珠海罗西尼表业有限公司 | 钢工件表面上沉积功能梯度纳米多层涂层的方法以及包含所述功能梯度纳米多层涂层的制品 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN106119783A (zh) | 2016-11-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN106244986B (zh) | 功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品 | |
CN106119783B (zh) | 功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品 | |
CN101712215B (zh) | 一种TiCN系列纳米梯度复合多层涂层的制备方法 | |
CN105568230B (zh) | 钢工件表面上功能梯度纳米多层涂层的制备方法和包含所述功能梯度纳米多层涂层的制品 | |
CN107142463B (zh) | 一种等离子体化学气相沉积与磁控溅射或离子镀复合的镀覆方法 | |
CN105568231B (zh) | 钢工件表面上沉积功能梯度纳米多层涂层的方法以及包含所述功能梯度纳米多层涂层的制品 | |
CN108796453B (zh) | 一种高温耐磨的AlCrSiN纳米复合涂层及其制备方法 | |
US8372524B2 (en) | Coated article | |
CN103160783A (zh) | 一种TiCuN纳米复合涂层及其制备方法 | |
CN104278234B (zh) | 一种室温到800℃宽温域自润滑涂层的制备技术 | |
CN109402564A (zh) | 一种AlCrSiN和AlCrSiON双层纳米复合涂层及其制备方法 | |
CN103160781A (zh) | 模具钢表面多层梯度纳米复合类金刚石薄膜的制备方法 | |
Cao et al. | Microstructure, mechanical and tribological properties of multilayer TiAl/TiAlN coatings on Al alloys by FCVA technology | |
Spies et al. | PVD hard coatings on prenitrided low alloy steel | |
CN106893991B (zh) | 一种Zr-B-O-N纳米复合涂层制备工艺 | |
Weise et al. | Influence of magnetron sputtering process parameters on wear properties of steel/Cr3Si or Cr/MoSx | |
Liu et al. | Microstructure and mechanical properties of alumina coatings prepared by double glow plasma technique | |
CN103938157B (zh) | 一种ZrNbAlN超晶格涂层及制备方法 | |
CN106756841A (zh) | 一种刀具复合涂层的制备方法 | |
CN110257779A (zh) | 一种超硬纳米复合刀具及其制作方法和应用 | |
CN105779937A (zh) | 一种多能量离子束在钢衬底上沉积非晶金刚石厚膜的方法 | |
CN106676470B (zh) | 一种AlTiON热作模具钢复合梯度涂层及其制备方法 | |
CN110684954B (zh) | 金属制品及其制备方法和手机后壳 | |
CN109487214A (zh) | 一种镁合金表面镀膜方法及由其制备的抗腐蚀镁合金 | |
CN103045998A (zh) | 一种含有CrNiTiAlN五元涂层的制品及制备方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |