CN107858684B - 金属-类金刚石复合涂层及其制备方法与用途以及涂层工具 - Google Patents

金属-类金刚石复合涂层及其制备方法与用途以及涂层工具 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种金属‑类金刚石复合涂层及其制备方法与用途以及涂层工具，涉及复合涂层技术领域，该金属‑类金刚石复合涂层，包括以层状结构设置的金属过渡层和类金刚石层；沿金属过渡层至类金刚石层的方向，金属过渡层中的碳含量逐渐升高，利用该金属‑类金刚石复合涂层能够缓解现有类金刚石层残余应力大，类金刚石层与金属基底的热膨胀系数相差大和匹配度低导致两者的结合力较差，易脱落的技术问题，达到提高复合涂层与金属基底结合力的目的。

Description

金属-类金刚石复合涂层及其制备方法与用途以及涂层工具
技术领域
本发明涉及复合涂层技术领域，尤其是涉及一种金属-类金刚石复合涂层及其制备方法与用途以及涂层工具。
背景技术
类金刚石薄膜是一种含有大量sp3键的非晶态碳膜，具有高硬度、低摩擦系数、良好的耐蚀性以及稳定的化学性能，被广泛应用于机电系统、汽车零部件、航空航天、医疗器械等诸多领域。
通常制备的类金刚石薄膜层残余应力大，类金刚石薄膜与金属基底的热膨胀系数相差大和匹配度低导致两者的结合力较差，易脱落，难以在金属基底表面沉积类金刚石，这极大限制了类金刚石薄膜的应用，尤其是当基底为不锈钢时，由于不锈钢与类金刚石的匹配度低，应力过大，极易出现薄膜脱落的现象。
有鉴于此，特提成本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种金属-类金刚石复合涂层，本发明的第二目的在于提供一种上述金属-类金刚石复合涂层的制备方法，以缓解现有类金刚石层残余应力大，类金刚石层与金属基底的热膨胀系数相差大和匹配度低导致两者的结合力较差，易脱落的技术问题。
本发明的第三目的在于提供一种上述金属-类金刚石复合涂层的用途，该复合涂层用于设备的防护涂层中以防止损伤。
本发明的第四目的在于提供一种包含上述金属-类金刚石复合涂层的涂层工具。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种金属-类金刚石复合涂层，包括以层状结构设置的金属过渡层和类金刚石层；沿所述金属过渡层至所述类金刚石层的方向，所述金属过渡层中的碳含量逐渐升高。
进一步的，所述复合涂层包括以层状结构设置的金属涂层，所述金属过渡层位于所述金属涂层与所述类金刚石层之间。
进一步的，所述金属过渡层和所述金属涂层均为不锈钢层。
进一步的，所述金属过渡层的厚度为0.5～1μm，优选为0.6～0.8μm；
优选地，所述金属涂层的厚度为0.1～0.5μm，优选为0.1～0.3μm；
优选地，所述类金刚石层的厚度为0.7～1.2μm，优选为0.8～1μm。
一种上述金属-类金刚石复合涂层的制备方法，包括以下步骤：通过沉积和掺杂制备出碳含量逐渐变化的金属过渡层，然后再在金属过渡层表面沉积类金刚石层。
进一步的，利用磁控溅射的方法在沉积金属薄膜的同时，对金属薄膜进行碳掺杂，以得到碳含量逐渐变化的金属过渡层；
优选地，磁控溅射沉积和掺杂制备金属过渡层的工艺参数包括：在惰性气体气氛下通入碳源，碳源的起始流量为100～150sccm并以2～2.5sccm/min的速度增加；惰性气体流量为100～400sccm并以2～2.5sccm/min的速度减少；金属靶材起始溅射功率为2～2.5KW，然后以40～60W/min的速度降低；
优选地，沉积时间40～50min。
进一步的，利用磁控溅射方法在所述金属过渡层上沉积类金刚石层；
优选地，磁控溅射沉积类金刚石层的工艺参数包括：在惰性气氛下进行沉积，石墨靶材的功率为0.6～1.2KW，基底偏压0～-100V；
优选地，沉积时间45～60min。
进一步的，先在金属基底上制备出金属涂层，然后再在金属涂层上制备金属过渡层；
优选地，利用磁控溅射的方法沉积制备金属涂层；
优选地，磁控溅射方法沉积制备金属涂层的工艺参数包括：通入氩气，流量为100～400sccm，压强为0.7～1.3Pa，溅射靶功率为2～2.5KW，基底偏压0～-150V；
优选地，沉积时间为5～10min。
进一步的，先对所述金属基底进行预处理，再在所述金属基底上制备金属涂层；
优选地，所述金属基底包括不锈钢基底、工模钢基底或高速钢基底；
优选地，所述预处理包括清洗液清洗、辉光清洗和离子刻蚀清洗的步骤；
优选地，所述辉光清洗的工艺参数包括：通入惰性气体，惰性气体流量300～500sccm，工作压强为1.0～1.7Pa，基底偏压-500～-800V；
优选地，所述辉光清洗中的清洗时间5～10min；
优选地，所述离子刻蚀清洗的工艺参数包括：通入惰性气体，惰性气体流量200～500sccm，离子源电压为50～90V，工作压强0.5～1.7Pa，基底偏压为-150～-800V；
优选地，所述离子刻蚀清洗中的清洗时间10～20min。
一种上述金属-类金刚石复合涂层在设备表面防护中的用途。
一种涂层工具，包括工具本体，在所述工具本体的表面结合有上述金属-类金刚石复合涂层或者由上述制备方法制备得到的金属-类金刚石复合涂层。
与已有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的金属-类金刚石复合涂层中设置有金属过渡层，且在使用时金属过渡层用于与相应的金属基底结合，由于金属过渡层和金属基底的晶格匹配度以及应力更为匹配，因此，金属过渡层与金属基底的结合力更高。同时，沿所述金属过渡层至所述类金刚石层的方向，所述金属过渡层中的碳含量逐渐升高，即碳含量以梯度变化方式存在于金属过渡层中，碳含量逐步增加提高了金属过渡层与类金刚石层的结合强度。以金属过渡层作为金属基底与类金刚石层之间的过渡层，提高了金属基底与类金刚石层之间的匹配度，降低了类金刚石层应力大的缺陷，进而提高了类金刚石层与金属基底之间的结合力。
此外，本发明提供的复合涂层具有较高的硬度和较好的韧性，具有优良的综合性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1提供的金属-类金刚石复合涂层与金属基底组合的结构示意图。
图标：10-类金刚石层；20-金属过渡层；30-金属涂层；40-基底。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
本发明的一个方面提供了一种金属-类金刚石复合涂层，包括以层状结构设置的金属过渡层和类金刚石层；沿所述金属过渡层至所述类金刚石层的方向，所述金属过渡层中的碳含量逐渐升高。
本发明提供的金属-类金刚石复合涂层中设置有金属过渡层，且在使用时金属过渡层用于与相应的金属基底结合，由于金属过渡层和金属基底的晶格匹配度以及应力更为匹配，因此，金属过渡层与金属基底的结合力更高。同时，沿所述金属过渡层至所述类金刚石层的方向，所述金属过渡层中的碳含量逐渐升高，即碳含量以梯度变化方式存在于金属过渡层中，碳含量逐步增加提高了金属过渡层与类金刚石层的结合强度。以金属过渡层作为金属基底与类金刚石层之间的过渡层，提高了金属基底与类金刚石层之间的匹配度，降低了类金刚石层应力大的缺陷，进而提高了类金刚石层与金属基底之间的结合力。
此外，本发明提供的复合涂层具有较高的硬度和较好的韧性，具有优良的综合性能。
在本发明的一个实施方式中，所述复合涂层包括以层状结构设置的金属涂层，所述金属过渡层位于所述金属涂层与所述类金刚石层之间。
设置金属涂层可避免掺杂造成类金刚石层硬度降低的问题。另外，由于金属过渡层中碳浓度是逐渐变化的，为了更好地提供复合涂层与金属基底的结合强度，进一步设置金属涂层。金属涂层中的碳含量与金属基底中的碳含量一致，两者的匹配度更高，使金属涂层与金属基底直接结合，可以更好地提高复合涂层与金属基底之间的结合力。用金属过渡层和金属涂层的复合层作为金属基底与类金刚石层之间的过渡层，可以进一步消除应力的影响，防止复合涂层的脱落。
在本发明的一个实施方式中，金属过渡层和金属涂层均为不锈钢层。相应地，金属基底也为不锈钢基底。针对在不锈钢基底表面镀类金刚石层后类金刚石层容易脱落的问题，通过以不锈钢层作为金属过渡层和金属涂层，以提高复合涂层与不锈钢基底的结合强度。其中作为金属涂层的不锈钢层与不锈钢基底结合，两者的结合强度更高。作为金属过渡层的不锈钢层介于金属涂层与类金刚石层之间，金属涂层中的碳浓度以梯度浓度方式变化，在与金属涂层结合的一侧碳浓度最低，在与类金刚石层结合的一侧碳浓度最高，这样，金属过渡层可以更好的与金属涂层和类金刚石层同时结合，降低金属涂层与类金刚石层之间的应力差，提高三者之间的结合强度。
该实施方式中，通过在不锈钢基底表面设置复合涂层，提高了不锈钢材料表面的硬度，降低其摩擦系数，提高耐蚀性以及化学稳定性。通过在不锈钢基底和类金刚石层之间生长不锈钢层的金属过渡层和金属涂层作为过渡层，提高了复合涂层与不锈钢基底之间的结合力；通过控制金属涂层中的碳梯度变化方式，进一步提高了不锈钢基底和类金刚石层之间的结合力，降低类金刚石层的残余应力，提高类金刚石层和不锈钢基底的结合力。
在本发明的一个实施方式中，所述金属过渡层的厚度为0.5～1μm，优选为0.6～0.8μm。通过优化金属过渡层的厚度可以进一步提高其与类金刚石层的结合强度。其中，金属过渡层的厚度非限制性的例如可以为：0.5μm、0.6μm、0.7μm、0.8μm、0.9μm或1μm。
在本发明的一个实施方式中，所述金属涂层的厚度为0.1～0.5μm，优选为0.1～0.3μm。通过优化金属涂层的厚度可以进一步提高其与金属基底的结合强度。其中，金属涂层的厚度非限制性的例如可以为：0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm或0.5μm。
在本发明的一个实施方式中，所述类金刚石层的厚度为0.7～1.2μm，优选为0.8～1μm。通过优化类金刚石层的厚度可以在保证类金刚石层硬度的同时进一步提高其与金属过渡层的结合强度。其中，类金刚石层的厚度非限制性的例如可以为：0.7μm、0.8μm、0.9μm、1.0μm、1.1μm或1.2μm。
本发明的第二个方面提供了一种上述金属-类金刚石复合涂层的制备方法，包括以下步骤：通过沉积和掺杂制备出碳含量逐渐变化的金属过渡层，然后再在金属过渡层表面沉积类金刚石层。
上述制备方法中是先利用沉积和掺杂的方法制备出金属过渡层，然后再在金属过渡层表面沉积生长制备出类金刚石层，该方法利用沉积生长的方法可以减少金属过渡层与类金刚石层之间的缺陷，减少结合产生的应力，提高两者之间的结合力。
在本发明的一个实施方式中，利用磁控溅射的方法在沉积金属薄膜的同时，对金属薄膜进行碳掺杂，以得到碳含量逐渐变化的金属过渡层；可选地，磁控溅射沉积和掺杂制备金属过渡层的工艺参数包括：在惰性气体气氛下通入碳源，碳源的起始流量为100～150sccm并以2～2.5sccm/min的速度增加；惰性气体流量为100～400sccm并以2～2.5sccm/min的速度减少；金属靶材起始溅射功率为2～2.5KW，然后以40～60W/min的速度降低，沉积时间优选为40～50min。
上述实施方式中，沉积和掺杂同步进行，在沉积金属薄膜的同时，对金属薄膜进行碳掺杂，提得到碳浓度梯度变化的金属过渡层。
可以理解的是，上述碳源为含有碳的气体。其中，碳源包括但不限于甲烷、乙炔、乙烯或苯中的任一种或至少两种的混合。
通过控制磁控溅射制备金属过渡层过程中的工艺参数，可以控制金属过渡层的厚度以及掺杂的碳元素的浓度，以进一步提高金属过渡层与类金刚石层的结合强度。
在本发明的一个实施方式中，利用磁控溅射方法在所述金属过渡层上沉积类金刚石层；可选地，磁控溅射沉积类金刚石层的工艺参数包括：在惰性气氛下进行沉积，石墨靶材的功率为0.6～1.2KW，基底偏压0～-100V，沉积时间优选为45～60min。
可以理解的是，惰性气体包括但不限于氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。
通过控制磁控溅射沉积类金刚石层过程中的工艺参数，可以控制类金刚石层的厚度与生长速率，以进一步提高金属过渡层与类金刚石层的结合强度。
在本发明的一个实施方式中，先在金属基底上制备出金属涂层，然后再在金属涂层上制备金属过渡层；可选地，利用磁控溅射的方法沉积制备金属涂层；可选地，磁控溅射方法沉积制备金属涂层的工艺参数包括：通入惰性气体，惰性气体流量为100～400sccm，压强为0.7～1.3Pa，溅射靶功率为2～2.5KW，基底偏压0～-150V，沉积时间优选为5～10min。
通过控制磁控溅射方法沉积制备金属涂层的工艺参数，可以优化得到的金属涂层的厚度以及其与金属基底层的结合力。
在本发明的一个实施方式中，先对所述金属基底进行预处理，再在所述金属基底上制备金属涂层。
通过预处理，以去除金属基底表面的赃物和金属基底表面的晶格缺陷，以提高金属过渡层与金属基底的表面结合度，进而提高结合强度。
在本发明的一个实施方式中，所述金属基底为不锈钢基底、工模钢基底或高速钢基底。针对上述基底，所述预处理包括清洗液清洗、辉光清洗和离子刻蚀清洗的步骤。
清洗液清洗可以去除金属基底表面的赃物。例如，利用清洗液进行清洗的方法包括以下步骤：首先将金属基底进行超声波清洗，依次用丙酮、乙醇分别清洗15～20min，然后用去离子水清洗，之后再用纯度≥99.5％氮气吹干，最后，再放入鼓风干燥箱中80～150℃进行烘干处理。
在本发明的一个实施方式中，所述辉光清洗的工艺参数包括：通入惰性气体，惰性气体流量300～500sccm，工作压强为1.0～1.7Pa，基底偏压-500～-800V，清洗时间优选为5～10min。
利用辉光放电原理对金属基底进行辉光清洗可以进一步去除样品表面脏物，也可去除一部分的氧化物层，从而提高金属-类金刚石复合涂层与金属基底的结合强度。
在本发明的一个实施方式中，所述离子刻蚀清洗的工艺参数包括：通入惰性气体，惰性气体流量200～500sccm，离子源电压为50～90V，工作压强0.5～1.7Pa，基底偏压为-150～-800V，清洗时间优选为10～20min。
离子刻蚀清洗是用惰性气体在离子源中离化成等离子体，对金属基底进行离子轰击清洗。通过离子轰击金属基底表面，对金属基底进行离子刻蚀清洗以去除金属基底表面的氧化物等，提高金属-类金刚石复合涂层与金属基底的结合强度。
在本发明的一个实施方式中，金属-类金刚石复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤a)清洗液清洗：首先将金属基底进行超声波清洗，依次用丙酮、乙醇分别清洗15～20min，然后用去离子水清洗，之后再用纯度≥99.5％氮气吹干，最后，再放入鼓风干燥箱中80～150℃进行烘干处理；将烘干后的样品固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中进行辉光清洗；
步骤b)辉光清洗：通入惰性气体，惰性气体流量300～500sccm，工作压强为1.0～1.7Pa，基底偏压-500～-800V，对金属基底进行辉光清洗，清洗时间5～10min；
步骤c)离子刻蚀清洗：辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子源电压为50～90V，惰性气体流量200～500sccm，工作压强0.5～1.7Pa，基底偏压为-150～-800V，清洗时间10～20min；
步骤d)金属涂层的沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入惰性气体，惰性气体流量为100～400sccm，调节真空室压强为0.7～1.3Pa，开启不锈钢靶，不锈钢靶功率为2.2～2.7KW，基底偏压0～-150V进行金属涂层的沉积，沉积时间为5～10min；
步骤e)金属过渡层的制备：金属涂层沉积结束后，在惰性气体气氛下通入碳源，碳源的起始流量为100～150sccm并以2～2.5sccm/min的速度增加；惰性气体流量为100～400sccm并以2～2.5sccm/min的速度减少；在沉积过程中，金属靶材起始溅射功率为2～2.5KW，然后以40～60W/min的速度降低，沉积时间40～50min；
步骤f)制备类金刚石层：关闭不锈钢靶和碳源，开启石墨靶，石墨靶材的功率为0.6～1.2KW，基底偏压0～-100V，沉积时间45～60min，在金属基底表面得到复合涂层。
一种上述金属-类金刚石复合涂层在设备表面防护中的用途。
本发明提供的金属-类金刚石复合涂层可广泛应用于机电系统、汽车零部件、航空航天和医疗器械等诸多领域中进行表面防护。
下面将结合实施例和对比例对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，本实施例是一种金属-类金刚石复合涂层，包括以层状结构依次设置的类金刚石层10、金属过渡层20和金属涂层30；沿所述金属过渡层20至所述类金刚石层10的方向，所述金属过渡层20中的碳含量逐渐升高。该实施例中的复合涂层涂覆于金属基底40表面。
该金属-类金刚石复合涂层采用以下方法制备得到：
步骤a)清洗液清洗：首先将304不锈钢基底放入丙酮中超声清洗18min，再将样品用去离子水冲洗后放入乙醇溶液中超声清洗18min，取出后再次用去离子水冲洗，之后再将样品放入去离子水中超声清洗10min，然后用干燥氮气将衬底表面吹干，最后再将样品放入鼓风干燥箱中100℃烘干；将烘干后的样品固装夹定在夹具中，并固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中的转架上；关闭真空室门，打开水冷机和空压机，开启镀膜机总电源以及控制系统，通过控制系统开启机械泵和旁抽阀以及分子泵，使分子泵进入爬升状态；当分子泵达到全速以后，关闭旁抽阀，打开粗抽阀，对真空室进行粗抽；当真空室内压强达到10Pa以下后，再次打开旁抽阀；当真空室压强达到4Pa以下后，关闭粗抽阀，开启高阀对真空室抽高真空；当真空室压强抽到5×10-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为200℃，当真空度达到3.2×10-3Pa时，开始进行下一步辉光清洗；
步骤b)辉光清洗：打开氩气瓶主阀，减压阀、离子源阀、弧阀和靶阀以及质量流量计，向真空室内通入氩气，氩气流量400sccm，工作压强为1.0～1.7Pa，基底偏压-600V，对基底进行辉光清洗，清洗时间8min；
步骤c)离子刻蚀清洗：辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子源电压为80V，氩气流量300sccm，工作压强1.2Pa，基底偏压为-400V；清洗时间15min；
步骤d)金属涂层-不锈钢层的沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量为200sccm，调节真空室压强为1Pa，开启不锈钢靶，靶功率为2.4KW，基底偏压-100V进行金属过渡层的沉积，沉积时间为7min；
步骤e)金属过渡层的制备：金属涂层沉积结束后，在惰性气体气氛下通入碳源，碳源的起始流量为100sccm，并以2.2sccm/min的速度增加；惰性气体流量为200sccm，并以2.2sccm/min的速度减少；在沉积过程中，金属靶材起始溅射功率为2.3Kw，然后以50W/min的速度降低，沉积时间45min；
步骤f)制备类金刚石层：步骤e)结束后，开始沉积类金刚石层，关闭乙炔气体，关闭不锈钢靶，保持石墨靶开启，石墨靶材的功率为1KW，基底偏压-60V，沉积时间50min；
步骤g)降温：涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，然后关闭乙炔气体质量流量计、气瓶主阀和减压阀，继续通入氩气进行降温，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，将样品取出，得到表面覆有复合涂层的不锈钢材料。
实施例2
本实施例是一种金属-类金刚石复合涂层，其结构与实施例1中的金属-类金刚石复合涂层的结构相同。
该金属-类金刚石复合涂层采用以下方法制备得到：
步骤a)清洗液清洗：首先将304不锈钢基底放入丙酮中超声清洗15min，再将样品用去离子水冲洗后放入乙醇溶液中超声清洗15min，取出后再次用去离子水冲洗，之后再将样品放入去离子水中超声清洗15min，然后用干燥氮气将衬底表面吹干，最后再将样品放入鼓风干燥箱中120℃烘干；将烘干后的样品固装夹定在夹具中，并固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中的转架上；关闭真空室门，打开水冷机和空压机，开启镀膜机总电源以及控制系统，通过控制系统开启机械泵和旁抽阀以及分子泵，使分子泵进入爬升状态；当分子泵达到全速以后，关闭旁抽阀，打开粗抽阀，对真空室进行粗抽；当真空室内压强达到10Pa以下后，再次打开旁抽阀；当真空室压强达到4Pa以下后，关闭粗抽阀，开启高阀对真空室抽高真空；当真空室压强抽到5×10-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为200℃，当真空度达到3.2×10-3Pa时，开始进行下一步辉光清洗；
步骤b)辉光清洗：打开氩气瓶主阀，减压阀、离子源阀、弧阀和靶阀以及质量流量计，向真空室内通入氩气，氩气流量300sccm，工作压强为1.0Pa，基底偏压-500V，对基底进行辉光清洗，清洗时间10min；
步骤c)离子刻蚀清洗：辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子源电压为60V，氩气流量200sccm，工作压强1Pa，基底偏压为-200V，清洗时间20min；
步骤d)金属涂层-不锈钢层的沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量为100sccm，调节真空室压强为0.7Pa，开启不锈钢靶，靶功率为2KW，基底偏压-150V进行金属过渡层的沉积，沉积时间为5min；
步骤e)金属过渡层的制备：金属涂层沉积结束后，在惰性气体气氛下通入碳源，碳源的起始流量为100sccm，并以2sccm/min的速度增加；惰性气体流量为200sccm，并以2sccm/min的速度减少；在沉积过程中，金属靶材起始溅射功率为2Kw，然后以50W/min的速度降低，沉积时间45min；
步骤f)制备类金刚石层：步骤e)结束后，开始沉积类金刚石层，关闭乙炔气体，关闭不锈钢靶，保持石墨靶开启，石墨靶材的功率为0.8KW，基底偏压-60V，沉积时间50min；
步骤g)降温：涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，然后关闭乙炔气体质量流量计、气瓶主阀和减压阀，继续通入氩气进行降温，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，将样品取出，得到表面覆有复合涂层的不锈钢材料。
实施例3
本实施例是一种金属-类金刚石复合涂层，其结构与实施例1中的金属-类金刚石复合涂层的结构相同。
该金属-类金刚石复合涂层采用以下方法制备得到：
步骤a)清洗液清洗：首先将304不锈钢基底放入丙酮中超声清洗20min，再将样品用去离子水冲洗后放入乙醇溶液中超声清洗20min，取出后再次用去离子水冲洗，之后再将样品放入去离子水中超声清洗20min，然后用干燥氮气将衬底表面吹干，最后再将样品放入鼓风干燥箱中140℃烘干；将烘干后的样品固装夹定在夹具中，并固定在离子源/电弧离子镀复合镀膜设备中的转架上；关闭真空室门，打开水冷机和空压机，开启镀膜机总电源以及控制系统，通过控制系统开启机械泵和旁抽阀以及分子泵，使分子泵进入爬升状态；当分子泵达到全速以后，关闭旁抽阀，打开粗抽阀，对真空室进行粗抽；当真空室内压强达到10Pa以下后，再次打开旁抽阀；当真空室压强达到4Pa以下后，关闭粗抽阀，开启高阀对真空室抽高真空；当真空室压强抽到5×10-3Pa以后，打开加热电源对真空室进行加热烘烤，加热温度为200℃，当真空度达到3.2×10-3Pa时，开始进行下一步辉光清洗；
步骤b)辉光清洗：打开氩气瓶主阀，减压阀、离子源阀、弧阀和靶阀以及质量流量计，向真空室内通入氩气，氩气流量500sccm，工作压强为1.7Pa，基底偏压-800V，对基底进行辉光清洗，清洗时间5min；
步骤c)离子刻蚀清洗：辉光清洗结束后，开启离子源对样品进行离子轰击清洗，离子源电压为90V，氩气流量500sccm，工作压强1.7Pa，基底偏压为-700V；清洗时间15min；
步骤d)金属涂层-不锈钢层的沉积：离子刻蚀清洗结束后，通入氩气，流量为400sccm，调节真空室压强为1.3Pa，开启不锈钢靶，靶功率为2.5KW，基底偏压-120V进行金属过渡层的沉积，沉积时间为8min；
步骤e)金属过渡层的制备：金属涂层沉积结束后，在惰性气体气氛下通入碳源，碳源的起始流量为100sccm，并以2.5sccm/min的速度增加；惰性气体流量为200sccm，并以2.5sccm/min的速度减少；在沉积过程中，金属靶材起始溅射功率为2.5Kw，然后以50W/min的速度降低，沉积时间40min；
步骤f)制备类金刚石层：步骤e)结束后，开始沉积类金刚石层，关闭乙炔气体，关闭不锈钢靶，保持石墨靶开启，石墨靶材的功率为1.2KW，基底偏压-70V，沉积时间45min；
步骤g)降温：涂层沉积结束后，关闭离子源电源以及偏压电源，然后关闭乙炔气体质量流量计、气瓶主阀和减压阀，继续通入氩气进行降温，待温度降到100℃以下后，关闭高阀，打开放气阀，待真空室内压强与外界气压一致时，打开真空室门，将样品取出，得到表面覆有复合涂层的不锈钢材料。
对比例1
本对比例是一种类金刚石涂层，该涂层中只含有一层类金刚石涂层。该类金刚石涂层利用实施例1中步骤f)的磁控溅射方法在经过预处理后的不锈钢基底表面进行沉积制备得到。
对实施例1中的表面覆有金属-类金刚石复合涂层的不锈钢材料和对比例1中的表面覆有类金刚石涂层的不锈钢材料进行性能测试。用安东帕NHT2型纳米压痕仪测试涂层硬度，用速普薄膜应力仪测试涂层残余压应力；用安东帕MST型纳米划痕仪测试涂层脱落时的压力载荷，测试结果列于表1。
表1性能测试结果
从表1中的数据可以看出，实施例1-3中的复合涂层在脱落的压力载荷远高于对比例1中的涂层。另外，实施例1-3中的复合涂层的残余应力比对比例1中的涂层的残余应力相比，降低了60％左右。
本发明提供的金属-类金刚石复合涂层，以碳梯度变化的不锈钢层为过渡层，有利于提高类金刚石层与金属基底的结合力，同时采用金属涂层作为进一步的过渡层可避免掺杂造成类金刚石层硬度降低，最终制备出结合力好、硬度高的类金刚石涂层。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种金属-类金刚石复合涂层，其特征在于，包括以层状结构设置的金属过渡层和类金刚石层；
沿所述金属过渡层至所述类金刚石层的方向，所述金属过渡层中的碳含量逐渐升高；
所述复合涂层包括以层状结构设置的金属涂层，所述金属过渡层位于所述金属涂层与所述类金刚石层之间；
所述金属过渡层和所述金属涂层均为不锈钢层；
所述的金属-类金刚石复合涂层的制备方法，包括以下步骤：通过沉积和掺杂制备出碳含量逐渐变化的金属过渡层，然后再在金属过渡层表面沉积类金刚石层；
利用磁控溅射的方法在沉积金属薄膜的同时，对金属薄膜进行碳掺杂，以得到碳含量逐渐变化的金属过渡层；
磁控溅射沉积和掺杂制备金属过渡层的工艺参数包括：在惰性气体气氛下通入碳源气体，碳源气体的起始流量为100～150sccm并以2～2.5sccm/min的速度增加；惰性气体流量为100～400sccm并以2～2.5sccm/min的速度减少；金属靶材起始溅射功率为2～2.5KW，然后以40～60W/min的速度降低；沉积时间40～50min；
先在金属基底上制备出金属涂层，然后再在金属涂层上制备金属过渡层；
所述金属涂层中的碳含量与金属基底中的碳含量一致；
所述金属基底为不锈钢基底；
利用磁控溅射的方法沉积制备金属涂层；
磁控溅射方法沉积制备金属涂层的工艺参数包括：通入惰性气体，惰性气体流量为100～400sccm，压强为0.7～1.3Pa，溅射靶功率为2～2.5KW，基底偏压0～-150V；沉积时间为5～10min。
2.根据权利要求1所述的金属-类金刚石复合涂层，其特征在于：
所述金属过渡层的厚度为0.5～1μm；
所述金属涂层的厚度为0.1～0.5μm；
所述类金刚石层的厚度为0.7～1.2μm。
3.根据权利要求1所述的金属-类金刚石复合涂层，其特征在于，先对所述金属基底进行预处理，再在所述金属基底上制备金属涂层；
其中，所述预处理包括清洗液清洗、辉光清洗和离子刻蚀清洗的步骤。
4.根据权利要求3所述的金属-类金刚石复合涂层，其特征在于：
所述辉光清洗的工艺参数包括：通入惰性气体，惰性气体流量300～500sccm，工作压强为1.0～1.7Pa，基底偏压-500～-800V；
所述辉光清洗中的清洗时间5～10min。
5.根据权利要求3所述的金属-类金刚石复合涂层，其特征在于：
所述离子刻蚀清洗的工艺参数包括：通入惰性气体，惰性气体流量200～500sccm，离子源电压为50～90V，工作压强0.5～1.7Pa，基底偏压为-150～-800V；
所述离子刻蚀清洗中的清洗时间10～20min。
6.一种权利要求1-5任一项所述的金属-类金刚石复合涂层在设备表面防护中的用途。
7.一种涂层工具，包括工具本体，其特征在于：在所述工具本体的表面结合有权利要求1-5任一所述的金属-类金刚石复合涂层。
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