CN107022745A - 基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜及其镀膜方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜及其镀膜方法，包括由基材表面向外依次形成的至少包括金属底层和共沉积层的过渡层以及类金刚石层，所述共沉积层是金属碳化物和所述金属碳化物中的金属元素对应的金属的融合物。本发明通过设置共沉积层，能够有效的提高纳米硬度范围，从而能够实现类金刚石层厚度的增加，并且，可以有效缓冲厚类金刚石层带来的巨大应力，提高复合薄膜与基材的结合力，同时，由于共沉积层的表面微观结构良好，不会破坏DLC自身的粗糙度，从而保证复合薄膜具有较低的摩擦系数。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合薄膜及其镀膜方法，尤其是一种基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜及其镀膜方法。
背景技术
类金刚石薄膜是一种含有大量sp3 键的亚稳态非晶碳薄膜，碳原子间主要以sp3和sp2 杂化键结合，性能接近于金刚石，类金刚石具有和金刚石几乎一样的特性，由于具有高硬度和高弹性模量，低摩擦因数，耐磨损以及良好的真空摩擦学特性，很适合于作为耐磨涂层，因而通过气相沉积工艺获得的类金刚石薄膜在众多有耐磨、硬度要求的零件上得到广泛应用。
然而，无论是在什么样的零件上使用，一般来说，在满足零件尺寸要求的前提下，涂层的厚度，尤其是类金刚石薄膜的厚度往往是越厚越好，这样零件的耐磨性和硬度会相应提高，然而一旦涂层的厚度增加，尤其是类金刚石薄膜的厚度增加，就会导致类金刚石层的内应力增大，影响涂层和基材结合力，导致涂层与基材剥离，这就对涂层的使用寿命和效率产生影响，因此这种矛盾的调和成为亟待解决的问题。
同时，随着涂层以及类金刚石薄膜厚度的增加，涂层表面产生的缺陷增多，涂层表面的粗糙度增加，摩擦系数也会增大。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜及其镀膜方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，包括由基材表面向外依次形成的至少包括金属底层和共沉积层的过渡层以及类金刚石层，所述共沉积层是金属碳化物和所述金属碳化物中的金属元素对应的金属的融合物。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其中：所述金属底层为Cr层或Ti层。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其中：所述金属碳化物是WC或TiC或CrC中的一种。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其中：所述过渡层还包括附着于共沉积层上的支撑层，所述支撑层的材质是WC或TiC或CrC中的一种。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其中：所述过渡层的厚度在2-4μm之间。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其中：所述类金刚石层4的厚度在8-12μm之间，
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其中：所述基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜至少应用于活塞环，其摩擦系数低于0.1，且与基材的结合力达到100N。
基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，包括如下步骤：
S1，将基材清洗后放入真空腔内，进行等离子体清洗；
S2，在0.1-1Pa的真空度下，以Cr或Ti为靶材，在经过清洗的基材表面磁控溅射一层金属底层；
S3，以金属碳化物和与该金属碳化物中的金属元素相同的金属为靶材，控制两个靶材的电源的工作模式为恒功率，并通过控制两个靶材的功率配比，在金属底层表面磁控溅射一层由该金属碳化物和金属融合形成的共沉积层；
S4，以金属碳化物为靶材，在共沉积层表面磁控溅射一由该金属碳化物形成的支撑层；
S5，向真空腔内通入碳源气体，采用阳极离子束技术在支撑层上形成8-12μm的类金刚石层。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其特征在于：所述S1步骤包括如下过程：
S11，将基材放入碱性溶液中超声波震荡清洗；
S12，将经过S11步骤清洗的基材在过滤纯水中超声波震荡清洗；
S13，将经过S12步骤清洗的基材在烘干箱中完成烘干；
S14，将经过S12步骤清洗的基材放入真空腔后，开始将真空腔抽真空，达到本底真空度后，开启加热器加热保持150-250℃，维持1.5-4小时并继续抽真空，然后通入氩气，保持真空度在0.1-1Pa，开启离子束源，开启偏压电源对基材进行1-3小时的等离子体清洗。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其中：在S3步骤中，所述金属碳化物是WC或TiC或CrC，所述金属是W或Ti或Cr。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其中：所述金属碳化物靶材和金属靶材的电源功率比例在2:1-4:1之间。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其中：所述S4步骤中，所述金属碳化物为WC或TiC或CrC，溅射功率控制在1000W-3000W。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其中：在所述S5步骤中，所述碳源气体为乙炔，并且控制离子束源1000-1500V，偏压电源1000-2000V，占空比20%-60%。
优选的，所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其中：所述乙炔的流量为50-150sccm。
本发明技术方案的优点主要体现在：
本发明设计精巧，结构简单，通过设置共沉积层，能够有效的提高纳米硬度范围，从而能够实现类金刚石层厚度的增加，并且，可以有效缓冲厚类金刚石层带来的巨大应力，提高复合薄膜与基材的结合力，同时，由于共沉积层的表面微观结构良好，不会破坏DLC自身的粗糙度，从而保证复合薄膜具有较低的摩擦系数。
本发明的镀膜方法，过程简单，控制便利，多种PVD技术的融合，尤其是通过磁控溅射沉积的方式，在恒功率的电源控制模式下，可以精准控制不同成分之间的配比和最终薄膜厚度，从而保证薄膜的性能在合理范围内，即工艺的稳定性高，无污染，绿色环保，该方法获得的复合薄膜的附着性大大的由于传统类金刚石薄膜。
附图说明
图1 是本发明的薄膜结构示意图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，至少应用于活塞环，如附图1所示，其包括由基材5表面向外依次形成的至少包括金属底层1和共沉积层2的过渡层10以及类金刚石层4。
其中，所述基材5优选是各种用于制造活塞环的材质，如为13Cr或者不锈钢或者铸铁等。
所述金属底层1附着于基材5上，其优选为Cr层或Ti层，并通过磁控溅射工艺生成，Cr或Ti材质的金属底层与基材5和共沉积层2都能充分的结合，从而能够让基材5与共沉积层2整体更好的结合，进而增加复合镀膜与基材5之间的附着力。
所述共沉积层2是金属碳化物和所述金属碳化物中的金属元素对应的金属的融合物，优选所述金属碳化物是WC或TiC或CrC中的一种，对应的，所述金属是W或Ti或Cr中的一种。
并且，所述过渡层10的厚度在2-4μm之间，其还包括附着于共沉积层2上的支撑层3，所述支撑层3是WC或TiC或CrC中的一种，对于基材而言，支撑层3的硬度与基材往往相差很大，若将支撑层直接在基材沉积，则它们的结合力会差，这时就需要金属层和共沉积层由下到上逐步将硬度提高，缩小差距，通过共沉积层2有效实现金属底层1和支撑层3的充分结合，从而使过渡层及复合薄膜整体上形成硬度梯度，保证复合薄膜整体结构稳定，实现复合薄膜与基材的良好结合力。
详细来说，所述共沉积层2通过非平衡磁控溅射技术制备，在制备共沉积层2过程中，同时使用两种溅射靶材，并且通过控制靶材的电源的功率配比使形成的融合物的成分以WC或TiC或CrC等金属碳化物为主，而WC或TiC或CrC等金属碳化物与W或Cr或Ti等金属材料在磁控溅射方法下沉积出的薄膜中可以形成有效结合，即，共沉积层的两种物质成分的微观结构相似度极高，可以相互间更好的匹配和融合，这种有效结合最终产生出的良好性能是：
一，该WC或TiC或CrC等金属碳化物成分不论是与常见的打底材料（金属底层的材料）共同沉积形成共沉积层，还是单独沉积形成支撑层，其纳米硬度范围在20GPa-30GPa之间，远远高于纳米硬度在10-15GPa之间的Cr或者Ti的金属底层，这是其他元素掺杂很难达到的，而高硬度就表示可以在此基础上沉积更厚的类金刚石层4，并可以有效缓冲较厚的类金刚石层4带来的巨大应力，这是因为由于共沉积层和/或支撑层在硬度上与类金刚石层相差不大，甚至接近，相互间有较好的融合和匹配，其次，共沉积层和/或支撑层的材料自身结构致密，硬度较高，所以能够承受类金刚石层超厚的情况下产生的应力，否则就会导致类金刚石层在成膜后或者使用时崩缺，因而，所述类金刚石层4的厚度可以加工到8-12μm之间，对应的，所述基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的总厚度在10-16μm之间，因此通过共沉积层2的成分特性，能够有效的与金属底层1和支撑层3有效的结合，提高过渡层的硬度，且减小整个复合薄膜的内应力，从而使复合薄膜与基材的结合力能够达到100N，复合薄膜硬度在1800-2500Hv之间。
二，由于WC或TiC或CrC等碳化物与W或Cr或Ti等金属相互间匹配良好，使得磁控溅射方法产生出的过渡层的表面微观结构平整致密，无缺陷，整体表现为薄膜的粗糙度极低，通常不到0.1，因此不会破坏叠加在其上的类金刚石层的自身粗糙度，从而使整个薄膜的摩擦系数低于0.1，这也是其他化合物用磁控溅射方法达不到的；当然，如果用其他方法沉积相同的成分也不容易达到类似效果。
进行上述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜镀膜时，其包括如下步骤：
S1，将该基材清洗后放入真空腔内，进行等离子体清洗，具体来说又包括如下过程：
S11，将基材放入碱性溶液中超声波震荡清洗；
S12，将经过S11步骤清洗的基材在过滤纯水中超声波震荡清洗；
S13，将经过S12步骤清洗的基材在烘干箱中完成烘干；
S14，将经过S12步骤清洗的基材放入真空腔内后，开始将真空腔抽真空，达到本底真空度后，开启加热器加热保持150-250℃，优选为200℃，维持1.5-4小时并继续抽真空，然后通入氩气，保持真空度在0.1-1Pa，开启离子束源，开启偏压电源对基材进行1-3小时的等离子体清洗。
S2，完成清洗后，使真空腔内保持0.1-1Pa的真空度，以Cr或Ti为靶材，在经过清洗的基材5表面磁控溅射一层金属底层1。
S3，保持真空腔内的真空度在0.1-1Pa，以WC或TiC或CrC等金属碳化物和以W或Ti或Cr等金属为靶材，向真空腔内通入氩气，控制两个靶材的电源工作模式均为恒功率，并通过控制两个靶材的电源功率配比，从而在金属底层1的表面磁控溅射一层由WC或TiC或CrC等金属碳化物和W或Ti或Cr金属融合形成的共沉积层2，并且使生成的共沉积层2的成分以金属碳化物为主，以金属为辅。
经发明人研究发现，当两个靶材的电源功率配比过低或过高时，对应的共沉积层中金属碳化物和金属的比例就会不同，从而影响到薄膜和基材结合力，同时如果电源功率配比过高，也会超过硬件的承受范围，因此优选所述金属碳化物靶材和金属靶材的电源功率比例在2:1-4:1之间。
S4，继续保持真空腔内的真空度在0.1-1Pa，向真空腔内通入氩气，以WC或TiC或CrC金属碳化物为靶材，控制溅射功率在1000W-3000W之间，在共沉积层2表面磁控溅射一由WC或TiC或CrC等金属碳化物形成的支撑层3，上述参数的优选能够保证支撑层硬度在20-30GPa之间，否则会导致与后续类金刚石层的结合不好。
S5，继续保持真空腔内的真空度在0.1-1Pa，向真空腔内通入碳源气体，所述碳源气体优选为乙炔，所述乙炔的流量为50-150sccm，采用阳极离子束技术在支撑层3上形成8-12μm的类金刚石层4，并且控制离子束源1000-1500V，偏压电源1000-2000V，占空比20%-60%，通过上述参数设置可以保证涂层中的两种碳的结构，即SP2、SP3的比例达到最优，同时兼顾类金刚石层的自身硬度和厚度达到要求，以及沉积速率的要求，具有经济性。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其特征在于：包括由基材（5）表面向外依次形成的至少包括金属底层（1）和共沉积层（2）的过渡层（10）以及类金刚石层（4），所述共沉积层（2）是金属碳化物和所述金属碳化物中的金属元素对应的金属的融合物。
2.根据权利要求1所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其特征在于：所述金属底层（1）为Cr层或Ti层。
3.根据权利要求2所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其特征在于：所述金属碳化物是WC或TiC或CrC中的一种。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其特征在于：所述过渡层（10）还包括附着于共沉积层（2）上的支撑层（3），所述支撑层（3）的材质是WC或TiC或CrC中的一种。
5.根据权利要求4所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其特征在于：所述过渡层（10）的厚度在2-4μm之间。
6.根据权利要求5所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其特征在于：所述类金刚石层（4）的厚度在8-12μm之间。
7.根据权利要求6所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜，其特征在于：所述基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜至少应用于活塞环，其摩擦系数低于0.1，且与基材（5）的结合力达到100N。
8.基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，将基材清洗后放入真空腔内，进行等离子体清洗；
S2，在0.1-1Pa的真空度下，以Cr或Ti为靶材，在经过清洗的基材表面磁控溅射一层金属底层；
S3，以金属碳化物和与该金属碳化物中的金属元素相同的金属为靶材，控制两个靶材的电源的工作模式为恒功率，并通过控制两个靶材的功率配比，在金属底层表面磁控溅射一层由该金属碳化物和金属融合形成的共沉积层；
S4，以金属碳化物为靶材，在共沉积层表面磁控溅射一由该金属碳化物形成的支撑层；
S5，向真空腔内通入碳源气体，采用阳极离子束技术在支撑层上形成8-12μm的类金刚石层。
9.根据权利要求8所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其特征在于：所述S1步骤包括如下过程：
S11，将基材放入碱性溶液中超声波震荡清洗；
S12，将经过S11步骤清洗的基材在过滤纯水中超声波震荡清洗；
S13，将经过S12步骤清洗的基材在烘干箱中完成烘干；
S14，将经过S12步骤清洗的基材放入真空腔后，开始将真空腔抽真空，达到本底真空度后，开启加热器加热保持150-250℃，维持1.5-4小时并继续抽真空，然后通入氩气，保持真空度在0.1-1Pa，开启离子束源，开启偏压电源对基材进行1-3小时的等离子体清洗。
10.根据权利要求8所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其特征在于：在S3步骤中，所述金属碳化物是WC或TiC或CrC，所述金属是W或Ti或Cr。
11.根据权利要求10所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其特征在于：所述金属碳化物靶材和金属靶材的电源功率比例在2:1-4:1之间。
12.根据权利要求11所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其特征在于：所述S4步骤中，所述金属碳化物为WC或TiC或CrC，溅射功率控制在1000W-3000W。
13.根据权利要求9-12任一所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其特征在于：在所述S5步骤中，所述碳源气体为乙炔，并且控制离子束源1000-1500V，偏压电源1000-2000V，占空比20%-60%。
14.根据权利要求13所述的基于类金刚石薄膜的增厚型复合薄膜的镀膜方法，其特征在于：所述乙炔的流量为50-150sccm。
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