CN108411258A - 一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法，金属基体上部涂覆Cr粘结层，Cr粘结层上部为C/C多层复合膜，C/C多层复合膜是由软C膜和硬C膜交替沉积构成。制备方法，包括以下步骤：（1）工件预处理；（2）离子清洗；（3）Cr粘结层的制备；（4）C/C多层复合膜的制备。本发明用真空离子镀技术通过控制基体偏压制备了软硬交替的C/C多层膜，各层界面相互匹配，薄膜具有较好的结合力和韧性，高偏压下离子轰击产生的诱导效应导致薄膜中的SP2键向sp3键转变，增强了类金刚石薄膜的耐磨性能。这种同质多层结构，使薄膜的硬度高达40GPa，摩擦系数低于0.15，并具有良好耐久性，因此扩大了类金刚石薄膜工程化应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及材料表面改性技术领域，尤其涉及的是一种利用真空离子镀方法制备的超厚无氢类金刚石薄膜材料。
背景技术
为了降低发动机的燃油消耗，减轻发动机滑动部位的摩擦非常重要，尤其是活塞、活塞环等关键部件，例如活塞环组对降低总机械摩擦的贡献高达25%。在考虑优化活塞环和气缸表面的摩擦系统的措施时，活塞环涂层起着举足轻重的作用。类金刚石薄膜作为一种高硬度减摩抗磨表面保护薄膜材料，具有优异的耐磨性能、低摩擦系数以及与发动机润滑油良好的协同复配特性，是发动机节能降耗表面处理技术的一个重要研究方向。
汽车发动机及传动系统的滑动部件一般采用燃油或机油来是实现润滑功能，然而含氢类金刚石薄膜与机油的组合在摩擦降低效果的持续性方面不够理想，主要是由于类金刚石膜中的C-H键因滑动摩擦热及机械类被切断后，碳会与润滑油反应，从而加速了薄膜的磨损。另外，类金刚石薄膜在沉积过程中产生较高的内应力，使其与金属基体的结合力差，膜层容易起皮、脱落，限制了薄膜的沉积厚度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法，具有良好的膜-基结合强度、较高的硬度和优越的耐磨性能。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种超厚无氢类金刚石薄膜，金属基体1上部涂覆Cr粘结层2，Cr粘结层2上部为C/C多层复合膜3，C/C多层复合膜3是由软C膜和硬C膜交替沉积构成。
所述金属基体1为铸铁或合金钢。
所述Cr粘结层2的厚度为0.2～0.5μm。
所述C/C多层复合膜3为至少交替沉积30次的软C膜和硬C膜，单层软C膜厚度为80~110 nm，单层硬C膜厚度为170~200nm。
一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法，包括以下步骤：
（1）工件预处理，对工件进行研磨抛光处理，然后将工件进行清洗、烘干，并放入真空离子镀炉腔转架上；
（2）离子清洗，抽真空后，真空室气压低于8×10-4Pa后，启动基体转架，速度控制在2~4rpm，通入氩气，进行氩离子辉光清洗，然后减少氩气流量，开启Cr金属靶，对工件进行金属离子刻蚀清洗；
（3）Cr粘结层的制备，开启Cr金属靶，设置基体偏压、靶材电流及沉积温度，沉积纯Cr粘结层，沉积时间为20~30分钟；
（4）C/C多层复合膜的制备，关闭步骤（3）中的Cr靶，保持气压不变，然后开启两列石墨靶，设置沉积温度和石墨靶电流，通过控制基体脉冲偏压交替沉积软C膜和硬C膜，制备C/C多层复合膜。
所述步骤（1）中，研磨抛光后的工件表面粗糙度Ra＜0.1 μm，将工件分别进行纯水和酒精超声清洗。
所述步骤（2）中，氩离子辉光放电清洗条件为：气压为2~4 Pa，基片温度300~400℃，基体偏压为-800～-1000 V，占空比为40%，清洗时间为30分钟；金属离子刻蚀清洗条件为：气压为0.2~0.5Pa，基片温度300~400℃，基体偏压为-800～-1000 V，占空比为40%，Cr靶电流为70~90A，离子刻蚀时间为10~20分钟。
所述步骤（3）中，金属离子刻蚀后，真空调节为0.5～0.8 Pa，基片温度300~400℃，基体偏压为-100~-300 V，占空比为40%，Cr靶电流为70~90A，沉积时间约为20～30 min，获得纯Cr界面过渡层。
所述步骤（4）中，纯Cr界面过渡层沉积结束后，关闭金属Cr靶，打开石墨靶，靶电流为60~80 A，沉积温度控制在120~150℃，基体偏压设置为-100~-300V，占空比为20%，制备单层软C膜，沉积时间为5~8分钟；然后将基体偏压调节至-400~-600V，占空比为40%，制备单层硬C膜，沉积时间为10~15分钟；软C膜和硬C膜交替沉积至少30次以上。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明用真空离子镀技术通过控制基体偏压制备了软硬交替的C/C多层膜，各层界面相互匹配，薄膜具有较好的结合力和韧性，高偏压下离子轰击产生的诱导效应导致薄膜中的SP2键向sp3键转变，增强了类金刚石薄膜的耐磨性能。这种同质多层结构，使薄膜的硬度高达40GPa，摩擦系数低于0.15，并具有良好耐久性，因此扩大了类金刚石薄膜工程化应用范围，为开发新型超厚无氢类金刚石薄膜提供新的思路，并且在汽车发动机关键部件上具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明一种超厚无氢类金刚石薄膜及其金属基体的结构示意图。
图中，1. 金属基体，2. Cr粘结层，3. C/C多层复合膜。
具体实施方式
本发明的本发明的一种超厚无氢类金刚石薄膜，由金属基体到表面依次包括Cr粘结层、C/C多层复合膜，所述Cr粘结层是涂覆在金属基体上，所述C/C多层复合膜是由软C膜和硬C膜交替沉积而成。所述的类金刚石薄膜是通过调节基体脉冲偏压改变碳膜的微观结构，利用软膜和硬膜相互累积叠加的方式来降低薄膜内应力，从而制备出较厚的类金刚石薄膜。
采用自主开发的磁过滤真空离子镀技术，Cr粘结层的厚度为0.2～0.5μm。纯Cr粘结层具有很强的界面融合性能，能较好的连结金属基体和C膜，实现C膜与金属基体很高的结合强度。C/C多层复合膜为至少交替沉积30次的软C膜和硬C膜，单层软C膜厚度为80~110nm，单层硬C膜厚度为170~200nm。超厚无氢类金刚石薄膜的总厚度为5~8微米，硬度达到40GPa以上，摩擦系数低于0.15。
一种超厚无氢类金刚石薄膜涂层的制备方法，包括以下步骤：
（1）工件预处理。对工件进行研磨抛光处理，研磨抛光后的工件表面粗糙度Ra＜0.1 μm，然后将工件分别进行纯水和酒精超声清洗，最后将工件烘干，并放入真空离子镀炉腔转架上；
（2）离子清洗。抽真空后，真空室气压低于8×10-4Pa后，启动基体转架，速度控制在2~4rpm，通入氩气，进行氩离子辉光清洗，然后减少氩气流量，开启Cr金属靶，对工件进行金属离子刻蚀清洗，氩离子辉光放电清洗条件为：气压为2~4 Pa，基片温度300~400℃，基体偏压为-800～-1000 V，占空比为40%，清洗时间为30分钟；金属离子刻蚀清洗条件为：气压为0.2~0.5Pa，基片温度300~400℃，基体偏压为-800～-1000 V，占空比为40%，Cr靶电流为70~90A，离子刻蚀时间为10~20分钟；
（3）Cr粘结层的制备。开启Cr金属靶，设置基体偏压、靶材电流及沉积温度，沉积纯Cr粘结层，沉积时间为20~30分钟，金属离子刻蚀后，真空调节为0.5～0.8 Pa，基片温度300~400℃，基体偏压为-100~-300 V，占空比为40%，Cr靶电流为70~90A，沉积时间约为20～30 min，获得纯Cr界面过渡层；
（4）C/C多层复合膜的制备。关闭步骤（3）中的Cr靶，保持气压不变，然后开启两列石墨靶，设置沉积温度和石墨靶电流，通过控制基体脉冲偏压交替沉积软C膜和硬C膜，制备C/C多层复合膜，纯Cr界面过渡层沉积结束后，关闭金属Cr靶，打开石墨靶，靶电流为60~80 A，沉积温度控制在120~150℃，基体偏压设置为-100~-300V，占空比为20%，制备单层软C膜，沉积时间为5~8分钟；然后将基体偏压调节至-400~-600V，占空比为40%，制备单层硬C膜，沉积时间为10~15分钟；软C膜和硬C膜交替沉积至少30次以上。
纯Cr层具有很强的界面融合性能，能较好的连接金属基体和碳膜，实现涂层与金属基体很高的结合强度；C/C多层复合结构的设计有效地降低碳膜的内应力，提高涂层的致密度和韧性，实现超厚类金刚石薄膜的制备。
实施例1：
将球磨铸铁活塞环工件研磨抛光至粗糙度Ra=80nm，先用纯水和酒精超声波清洗20分钟，然后烘干并放置真空离子镀炉腔的转架上，在弧靶位置上一部分安装单质Cr靶，一部分安装高纯石墨靶，关闭真空室腔门。依次打开机械泵、罗茨泵和分子泵将真空室的真空抽到5×10-4Pa，通入氩气到2.0Pa，基片温度加热到350℃，施加-1000V的负偏压引发辉光放电，进行氩离子溅射清洗20分钟。辉光清洗结束后，调节氩气流量，控制真空室气压在0.3Pa，基体偏压设置为-900V，占空比为40%，打开金属Cr靶，靶材弧电流为80A，进行金属离子刻蚀清洗，沉积时间为10分钟。金属离子刻蚀后，真空室调节为0.5Pa，基片偏压为-300V，占空比为40%，沉积Cr粘结层30分钟。Cr粘结层沉积结束后，关闭Cr靶，沉积温度调节为150℃，开启石墨靶，靶材弧电流为70A基片，基体偏压调整为-100V，占空比为20%，沉积软C层，沉积时间为7分钟；然后保持气压和靶电流不变，调节基体偏压为-500V，占空比为40%，沉积硬C层，沉积时间为13分钟。通过控制基体偏压，基体沉积C/C多层复合膜，总沉积时间为300分钟。结束镀膜后，依次停弧、停偏压、停气，维持真空随炉冷却60分钟后，开启真空室取出工件。在球墨铸铁工件表面合成总厚度为6μm的无氢类金刚石薄膜，薄膜表面硬度为42GPa，摩擦系数为0.1，膜基结合力达到60N。
本发明是通过实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种超厚无氢类金刚石薄膜，其特征在于：金属基体（1）上部涂覆Cr粘结层（2），Cr粘结层（2）上部为C/C多层复合膜（3），C/C多层复合膜（3）是由软C膜和硬C膜交替沉积构成。
2.根据权利要求1所述的一种超厚无氢类金刚石薄膜，其特征在于：所述金属基体（1）为铸铁或合金钢。
3.根据权利要求1所述的一种超厚无氢类金刚石薄膜，其特征在于：所述Cr粘结层（2）的厚度为0.2～0.5μm。
4.根据权利要求1所述的一种超厚无氢类金刚石薄膜，其特征在于：所述C/C多层复合膜（3）为至少交替沉积30次的软C膜和硬C膜，单层软C膜厚度为80~110 nm，单层硬C膜厚度为170~200nm。
5.一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）工件预处理，对工件进行研磨抛光处理，然后将工件进行清洗、烘干，并放入真空离子镀炉腔转架上；
（2）离子清洗，抽真空后，真空室气压低于8×10-4Pa后，启动基体转架，速度控制在2~4rpm，通入氩气，进行氩离子辉光清洗，然后减少氩气流量，开启Cr金属靶，对工件进行金属离子刻蚀清洗；
（3）Cr粘结层的制备，开启Cr金属靶，设置基体偏压、靶材电流及沉积温度，沉积纯Cr粘结层，沉积时间为20~30分钟；
（4）C/C多层复合膜的制备，关闭步骤（3）中的Cr靶，保持气压不变，然后开启两列石墨靶，设置沉积温度和石墨靶电流，通过控制基体脉冲偏压交替沉积软C膜和硬C膜，制备C/C多层复合膜。
6.根据权利要求5所述的一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中，研磨抛光后的工件表面粗糙度Ra＜0.1 μm，将工件分别进行纯水和酒精超声清洗。
7.根据权利要求5所述的一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中，氩离子辉光放电清洗条件为：气压为2~4 Pa，基片温度300~400℃，基体偏压为-800～-1000 V，占空比为40%，清洗时间为30分钟；金属离子刻蚀清洗条件为：气压为0.2~0.5Pa，基片温度300~400℃，基体偏压为-800～-1000 V，占空比为40%，Cr靶电流为70~90A，离子刻蚀时间为10~20分钟。
8.根据权利要求5所述的一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法，其特征在于：所述步骤（3）中，金属离子刻蚀后，真空调节为0.5～0.8 Pa，基片温度300~400℃，基体偏压为-100~-300 V，占空比为40%，Cr靶电流为70~90A，沉积时间约为20～30 min，获得纯Cr界面过渡层。
9.根据权利要求5所述的一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中，纯Cr界面过渡层沉积结束后，关闭金属Cr靶，打开石墨靶，靶电流为60~80 A，沉积温度控制在120~150℃，基体偏压设置为-100~-300V，占空比为20%，制备单层软C膜，沉积时间为5~8分钟；然后将基体偏压调节至-400~-600V，占空比为40%，制备单层硬C膜，沉积时间为10~15分钟；软C膜和硬C膜交替沉积至少30次以上。
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