CN108441825A - 掺杂金属类金刚石涂层制备方法及其制品 - Google Patents
掺杂金属类金刚石涂层制备方法及其制品 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108441825A CN108441825A CN201810159731.9A CN201810159731A CN108441825A CN 108441825 A CN108441825 A CN 108441825A CN 201810159731 A CN201810159731 A CN 201810159731A CN 108441825 A CN108441825 A CN 108441825A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- diamond
- coating
- doping metals
- metal
- doping
- 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.)
- Granted
Links
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 117
- 239000002184 metal Substances 0.000 title claims abstract description 116
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 84
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 80
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 title claims abstract description 72
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 38
- 238000007733 ion plating Methods 0.000 claims abstract description 30
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 27
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000007667 floating Methods 0.000 claims abstract description 18
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 49
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 38
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 claims description 30
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 claims description 30
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 claims description 30
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 23
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 20
- 239000011435 rock Substances 0.000 claims description 16
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 11
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 7
- 229910000997 High-speed steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 6
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 6
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 claims description 5
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 5
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 claims description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims description 4
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 claims description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 claims description 3
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 claims description 3
- 238000004062 sedimentation Methods 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 3
- -1 Titanium Chemical class 0.000 claims description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 150000001335 aliphatic alkanes Chemical class 0.000 claims description 2
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 claims description 2
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 2
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052573 porcelain Inorganic materials 0.000 claims description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 15
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 9
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 abstract description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 43
- 239000010408 film Substances 0.000 description 17
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 16
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 15
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 13
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 8
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 7
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 6
- 238000005137 deposition process Methods 0.000 description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 5
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 4
- 239000011195 cermet Substances 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 150000001721 carbon Chemical group 0.000 description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 239000002346 layers by function Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 2
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000011343 solid material Substances 0.000 description 2
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 2
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910003481 amorphous carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 230000001050 lubricating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 229910052755 nonmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000505 pernicious effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004575 stone Substances 0.000 description 1
- 238000013517 stratification Methods 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 description 1
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
- C23C14/0036—Reactive sputtering
- C23C14/0084—Producing gradient compositions
-
- 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
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
本发明公开了一种掺杂金属类金刚石涂层制备方法及其制品，沉积在基体材料表面上，该类金刚石涂层主要是通过利用弧光电子流激发等离子体活化的PACVD技术沉积类金刚石涂层，利用阳极将电弧离子镀放电过程中的电子引出，增加等离子体的密度及强度，提升碳粒子的离化率，并在电弧离子镀装置前装配具有悬浮电位的纱网挡板，从而在基体表面形成掺有金属的类金刚石涂层。本发明工艺中所制备的类金刚石涂层中掺杂有金属，可以有效去除内应力，结合强度好。
Description
技术领域
本发明属于真空镀膜涂层制备领域，具体是指掺杂金属类金刚石涂层制备方法及其制品。
背景技术
固体材料的摩擦磨损普遍存在于生产和生活的各个领域中，凡是相对运动的部件都存在着摩擦磨损。国内外的统计资料显示，由摩擦而导致消耗掉的能源占全世界1/3一次能源，约有80%的机械零部件因为不断的磨损而最终失效，约有50%以上的机械装备恶性事故发生是起因于润滑失效和过度磨损。材料表面的物理、化学和力学性质对材料的摩擦学性能产生重要的影响。将固体材料表面进行预处理后，再经过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体表面的形态、化学成分、组织结构、机械强度和应力状态等，可以获得更好的力学与摩擦学性能。尤其，在表面工程技术中将薄膜材料应用于固体块状材料的减摩抗磨取得了许多重要的工业应用价值。因此，降低摩擦磨损的损耗，积极开发及使用新型的减摩抗磨润滑薄膜材料具有极其重要的价值和意义。
类金刚石薄膜(Diamond-like carbon film) 由于具有许多优异的物理、化学性能，如高硬度、低摩擦系数、优良的耐磨性、高介电常数、高击穿电压、宽带隙、化学惰性和生物相容性等。经过多年的发展，DLC薄膜在很多领域的应用也已进入实用和工业化生产阶段。然而，在类金刚石碳基薄膜的性能方面：高内应力和膜基结合弱；韧性低、脆性强以及热稳定性差；摩擦学行为受环境影响很大，这三大问题仍然是制约着其可靠性和寿命的关键瓶颈。
为了缓解或消除DLC碳基薄膜所存在问题，通过一定的方法可以改善DLC碳膜的力学和摩擦学性能，如退火、掺杂、加偏压、多层化、梯度化、基底预处理等。
掺杂是改善DLC性能的主要方法，掺杂通常是通过通入混合气体、使用复合靶材或采用复合沉积技术来实现。对于掺入到碳膜中的元素可分为非金属和金属两种。选用的非金属掺杂元素比如Si、B、N和F]等，而选用的金属元素比如Ti、Cr、W、Zr、Pt、Mo、Co、Al、Ag 和Cu等。非金属元素掺杂降低DLC 薄膜内应力主要是通过和碳原子发生键合作用，改变薄膜中sp3/sp2 比例以及H 含量的多少来释放内应力。而掺杂金属可以与碳形成碳化物相，并以纳米晶颗粒的形式镶嵌在非晶碳网络结构中，而形成的纳米复合结构中存在着大量纳米晶界，内应力就可以通过晶界扩散或滑移的方式得到释放。实验证明DLC碳基薄膜中掺入适量的元素可以有效的降低其内应力，改善膜–基结合强度。
DLC碳膜材料和基体材料存在热膨胀系数、晶体结构和化学成分的差异，限制了镀层材料与不同基材之间的良好结合。因此，需要通过在基底材料和薄膜材料之间沉积梯度或多层膜来克服膜–基间不匹配，提高碳膜材料与不同基材之间的结合强度，来改善它们的适应性，缓解化学键、热膨胀系数和弹性模量等性能的差别，从而提高膜-基结合。
现有的DLC沉积技术主要是物理气相沉积（PVD）及化学气相沉积(CVD)，PVD主要包括离子束沉积（IBD）、磁控溅射、电弧离子镀、脉冲激光沉积等，CVD包括热丝化学气相沉积、等离子化学增强气相沉积（PECVD），这几种技术都存在一些问题：离子束沉积因石墨溅射速率低二沉积速率低；磁控溅射沉积一方面溅射速率低，另一方面原子能量低导致结构疏松硬度低；电弧离子镀沉积过程中会产生大量碳颗粒；脉冲激光沉积能耗高，涂层均匀性差，有效沉积区小；热丝气相沉积技术沉积温度高，极大地限制了基体材料的范围；PECVD虽然有效的降低了反应温度，但沉积过程中沉积效率较低，碳原子离化率低，成膜质量结构不够致密。
现有的DLC金属掺杂过程，主要是通过磁控溅射或弧源直接在沉积DLC过程中掺杂：但磁控溅射因溅射出来的为原子态、离化率低、表面迁移扩散能力较低，沉积效率低，影响DLC涂层的成膜速度及质量；而电弧离子镀金属掺杂主要是通过金属碳化物弧放电，一方面弧放电过程中的大颗粒很难消除，另一方面这种制备方法获得的是金属基DLC涂层，DLC百分比较低，主要为耐磨金属碳化物。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种组分稳定，涂层结合好，沉积效率高的掺杂金属类金刚石涂层制备方法。
本发明的第二个目的提供一种通过上述制备方法所制备的带有掺杂金属类金刚石涂层的制品。
为实现本发明的第一个目的，本发明的技术方案是
（1）将待镀工件放入电弧离子镀膜机中，该电弧离子镀膜机配置装配有金属靶材的金属靶，金属靶前装配有一个悬浮电位的纱网挡板，金属靶旁边装配有阳极；
（2）对电弧离子镀膜机的真空室抽真空后通入氩气，开启金属靶，调节金属靶电流60-150A,通过弧清洗待镀工件表面，活化待镀工件表面；调节偏压从1000v降至40v，沉积≤1um厚度的金属基底层，待金属基底层工艺结束后；
通入氮气，其中氮气的通入流量通过梯度递增方式逐渐从0 sccm增加至100-500sccm，后稳定沉积，并调节真空度，沉积≤2um厚度的金属氮化物层；
然后通过梯度调节氮气及碳氢气体的组分，其中氮气通入流量通过梯度递减方式逐渐从100-500 sccm降低至50-150sccm，碳氢气体的通入流量通过梯度递增方式逐渐从0sccm增加至100-200sccm，后稳定沉积，沉积≤2um的金属碳氮化物；
然后通过梯度调节氮气及碳氢气体的组分，其中氮气通入流量通过梯度递减方式逐渐从50-150 sccm增加至0sccm，碳氢气体的通入流量通过梯度递增方式逐渐从100-200sccm增加至200-400sccm，后稳定沉积，同时及调节偏压从200-100v将至80-40v，沉积≤2um的金属碳化物；
然后通过接通阳极，将电弧离子镀电子引出，形成弧光电子流激发的等离子体，从而提升碳氢气体在真空室的离化率，梯度方式调节金属靶电流大小，沉积梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石层，然后使用稳定的弧电流继续制备掺杂金属类金刚石涂层。
进一步设置是所述掺杂金属包括金属钛、金属铬或金属钨。
进一步设置是所述碳氢气体是由含有碳原子及氢原子组成的烷类、炔类、烯类气体。
本发明还提供一种如所述的制备方法所制备的制品，在工件的表面依次沉积设置有金属基底层、金属氮化物层、金属碳氮化物、金属碳化物、梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石层和掺杂金属类金刚石涂层。
进一步设置是该工件为切削刀具、精密量具、模具或汽摩配部件。
进一步设置是该工件的材质为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、模具钢中的一种。
本发明还提供一种掺杂金属类金刚石涂层组成，该掺杂金属类金刚石涂层是通过电弧离子镀模机，以碳氢气体为工艺气体，以金属靶为靶源，将金属靶通电并设置偏置电压，产生弧光电子流，通过阳极将电弧离子镀放电过程中的电子引出，弧光电子流在与工艺气体的碰撞过程中离化碳氢气体，以离子加强化学气相沉积方式形成类金刚石涂层，在形成类金刚石涂层的过程中，金属靶中的金属离子从金属靶脱出并同时沉积掺杂于类金刚石涂层中，形成掺杂金属类金刚石涂层组成。
进一步设置是在制备掺杂金属类金刚石涂层过程中，以梯度方式改变金属靶电流大小，获得梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石层，所述梯度是指在一定时间内工艺参数从一个值线性变化为另一个值，随后稳定沉积一段时间。
与现有技术相比，本发明提供的掺杂金属类金刚石涂层制备方法，具有如下实质性区别和显著性进步：
1）在弧源前装配具有悬浮电位的纱网挡板，一方面可以起到过滤大颗粒的作用为掺杂金属类金刚石涂层中提供高能金属粒子，一方面又可以在放电过程中便于阳极引出电子，提高碳氢气体的离化率，此外纱网挡板相较于复杂的磁过滤系统等其他大颗粒消除结构来说，结构简单，成本低，便于更换。
2）设备简单，没有使用阳极层离子源等离子辅助源来离化碳氢气体，使用水冷阳极，结构简单，离化率高，粒子能量高，活性强。
3）通过利用电弧离子镀沉积速率快、离化率高的优点，使用纱网过滤挡板，高效沉积金属基底层及梯度复合层，沉积速率快，提高了工艺试验的效率。
4）通过利用阳极将弧放电过程中的部分电子引出，增加了电子的行程，提高了气体离化率，相较于非平衡磁控溅射及离子源辅助沉积类金刚石涂层生产效率大大提高。
5)本发明工艺中所制备的类金刚石涂层中掺杂有金属，可以有效去除内应力，结合强度好。
总之，本发明所提供的掺杂金属类金刚石涂层，不仅可通过简单的电弧离子镀设备制备出颗粒度很小的掺杂金属类金刚石涂层，而且其成膜速率、涂层与基体结合力、涂层质量都有了很大的提升。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1是掺杂金属类金刚石涂层结构示意图；
图2是实施例一中的电弧离子镀膜掺杂金属类金刚石涂层装置结构示意图；
图3是实施例二中的电弧离子镀膜掺杂金属类金刚石涂层装置结构示意图；
图4是实施例三中的电弧离子镀膜掺杂金属类金刚石涂层装置结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
本发明较佳的实施例的掺杂金属类金刚石涂层形成在各类切削刀具、精密量具、模具、汽摩配精密部件及其他应用要求为低摩耐磨零部件的表面。该类金刚石涂层主要是通过电弧离子镀装置的等离子体制备含氢类金刚石，并在制备过程中掺杂金属；该掺杂金属金刚石涂层是由金属基底层、梯度复合层、掺杂金属类金刚石涂层组成。该金属基底层是由电弧离子镀在悬浮电位的纱网挡板遮挡下沉积的有一定工艺梯度的纯金属基底层；该梯度复合层是通过依次通入不同梯度的工艺气体组分（依次为氮气、氮气与碳氢气体、碳氢气体）及其他工艺参数（偏压、真空度）形成梯度复合层；该掺杂金属类金刚石包括梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石层及掺杂金属类金刚石层，其中梯度掺杂金属的类金刚石层是通过调节电弧离子镀的电流从而形成具有梯度的掺杂金属的掺杂类金刚石涂层，随后形成稳定组分的掺杂金属类金刚石层；该金属基底层及梯度复合层主要是为降低涂层的内应力，提高涂层与基体之间的结合力。
该掺杂金属类金刚石涂层的厚度为1-8um，优选3-5um。该类金刚石涂层的显微硬度为30GPa左右。
参见图1，上述掺杂金属类金刚石涂层的涂层组分为梯度变化，依次为：基底1、金属基底层2、梯度复合层（3、4、5）、掺杂金属类金刚石层（6、7）；该金属基底层是由电弧离子镀在悬浮电位的纱网挡板遮挡下沉积的有一定工艺梯度的纯金属基底层（2）；该梯度复合层是通过依次通入不同梯度的工艺气体组分（依次为氮气、氮气与碳氢气体、碳氢气体）及其他工艺参数（偏压、真空度）形成梯度复合层（金属氮化物3、金属碳氮化物4、金属碳化物5）；该掺杂金属类金刚石包括梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石层6及掺杂金属类金刚石层7，其中梯度掺杂金属的类金刚石层6是通过调节电弧离子镀的电流从而形成具有梯度的掺杂金属的掺杂类金刚石涂层，随后形成稳定组分的掺杂金属类金刚石层7；该金属基底层及梯度复合层主要是为降低涂层的内应力，提高涂层与基体之间的结合力。
具有上述掺杂金属类金刚石涂层的被覆件包括该被覆件基体及形成在该基体上的掺杂金属类金刚石涂层。该被覆件可以为各类切削刀具、精密量具、模具、汽摩配精密部件及其他应用要求为低摩耐磨零部件等。该被覆件基体可以为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、模具钢等材料。该掺杂金属类金刚石涂层具有上述所述特征。
下面以电弧离子镀装置合成上述掺杂金属类金刚石涂层为例，对该掺杂金属类金刚石涂层的制备方法进行说明。
实施例一
参见图2所示：制备本发明的掺杂类金刚石涂层的电弧离子镀装备101，在原有弧源1011的基础上需要增加一个悬浮电位的纱网挡板1012及一个水冷阳极1013；在弧源放电过程中，悬浮电位的纱网挡板可以过滤掉大颗粒，在接通水冷阳极时，弧源放电过程中的电子将会受到电场左右，被吸引到水冷阳极上，在电子运动过程中，会与碳氢气体发生碰撞，从而离化气体，高效产生类金刚石涂层；此外纱网过滤后的金属原子在类金刚石沉积过程中，可以通过弧电流的调节，改变掺杂金属的比例，形成梯度，有利于类金刚石涂层的表面性能。
说明：因绘图需要，所呈现的纱网示意图为效果图，实际应用中目数一般为50-200目，非示意图中所示的效果。
该掺杂金属类金刚石涂层制备方法主要包括如下：
本实施例以金属靶Cr为例，对发明方法进行叙述。
前处理过程：对待镀工件进行表面超声波清洗，即将待镀工件放入带有超声波清洗器的清洗槽中除油除蜡，漂洗完毕后烘干备用。所述基体为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、模具钢等材料。
装载：将经上述清洗的待镀工件放入电弧离子镀装置中，金属靶装配在弧源上，弧源前装配具有悬浮电位的纱网挡板，弧源旁边装配有水冷阳极。
工艺过程如表1所述：
表1
卸载：待工艺结束后，关闭负偏压及金属弧源，停止通入碳氢气体、氮气、氩气，待所述硬质涂层冷却后，向真空室内通入空气，恢复大气压，打开真空室门，取出镀覆好的基体。
上述掺杂金属类金刚石涂层的制备方法通过利用阳极将弧放电中的部分电子引出，从而增加碳氢气体的离化率，并在沉积过程中利用悬浮电位的纱网挡板过滤大颗粒，在基体表面获得细腻的金属基底层及梯度复合层，并在类金刚石涂层的制备中，调节弧源电流的大小制备梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石涂层以及稳定弧源电流下的一定掺杂原子比的掺杂金属类金刚石表面功能层。
说明：本制备方法中所述的梯度指在一定时间内工艺参数从一个值线性变化为另一个值，随后稳定沉积一段时间。
实施例二
参见图2所示：制备本发明的掺杂类金刚石涂层的电弧离子镀装备111，在原有的两组弧源1111的基础上需要增加两个悬浮电位的纱网挡板1112及两个水冷阳极1113；在弧源放电过程中，悬浮电位的纱网挡板可以过滤掉大颗粒，在接通水冷阳极时，弧源放电过程中的电子将会受到电场左右，被吸引到两侧的水冷阳极上，在电子运动过程中，会有碳氢气体发生碰撞，从而离化气体，高效产生类金刚石涂层；此外纱网过滤后的金属原子在类金刚石沉积过程中，可以通过弧电流的调节，改变掺杂金属的比例，形成梯度，有利于类金刚石涂层的表面性能。
该掺杂金属类金刚石涂层制备方法主要包括如下：
本实施例以金属靶Cr为例，对发明方法进行叙述。
前处理过程：对待镀工件进行表面超声波清洗，即将待镀工件放入带有超声波清洗器的清洗槽中除油除蜡，漂洗完毕后烘干备用。所述基体为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、模具钢等材料。
装载：将经上述清洗的待镀工件放入电弧离子镀装置中，金属靶装配在弧源上，弧源前装配具有悬浮电位的纱网挡板，弧源旁边装配有水冷阳极。
工艺过程如表2所述：
表2
卸载：待工艺结束后，关闭负偏压及金属弧源，停止通入碳氢气体、氮气、氩气，待所述硬质涂层冷却后，向真空室内通入空气，恢复大气压，打开真空室门，取出镀覆好的基体。
上述掺杂金属类金刚石涂层的制备方法通过利用阳极将弧放电中的部分电子引出，从而增加碳氢气体的离化率，并在沉积过程中利用悬浮电位的纱网挡板过滤大颗粒，在基体表面获得细腻的金属基底层及梯度复合层，并在类金刚石涂层的制备中，调节弧源电流的大小制备梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石涂层以及稳定弧源电流下的一定掺杂原子比的掺杂金属类金刚石表面功能层。
实施例三
参见图4所示：制备本发明的掺杂类金刚石涂层的电弧离子镀装备121，在原有的四组弧源1211的基础上需要增加四个悬浮电位的纱网挡板1212及在装置中心放置了一个水冷阳极1213；在弧源放电过程中，悬浮电位的纱网挡板可以过滤掉大颗粒，在接通水冷阳极时，弧源放电过程中的电子将会受到电场左右，被吸引到中心位置的水冷阳极上，在电子运动过程中，会有碳氢气体发生碰撞，从而离化气体，高效产生类金刚石涂层；此外纱网过滤后的金属原子在类金刚石沉积过程中，可以通过弧电流的调节，改变掺杂金属的比例，形成梯度，有利于类金刚石涂层的表面性能。
该掺杂金属类金刚石涂层制备方法主要包括如下：
本实施例以金属靶Cr为例，对发明方法进行叙述。
前处理过程：对待镀工件进行表面超声波清洗，即将待镀工件放入带有超声波清洗器的清洗槽中除油除蜡，漂洗完毕后烘干备用。所述基体为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、模具钢等材料。
装载：将经上述清洗的待镀工件放入电弧离子镀装置中，金属靶装配在弧源上，弧源前装配具有悬浮电位的纱网挡板，弧源旁边装配有水冷阳极。
工艺过程如表3所述：
表3
卸载：待工艺结束后，关闭负偏压及金属弧源，停止通入碳氢气体、氮气、氩气，待所述硬质涂层冷却后，向真空室内通入空气，恢复大气压，打开真空室门，取出镀覆好的基体。
上述掺杂金属类金刚石涂层的制备方法通过利用阳极将弧放电中的部分电子引出，从而增加碳氢气体的离化率，并在沉积过程中利用悬浮电位的纱网挡板过滤大颗粒，在基体表面获得细腻的金属基底层及梯度复合层，并在类金刚石涂层的制备中，调节弧源电流的大小制备梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石涂层以及稳定弧源电流下的一定掺杂原子比的掺杂金属类金刚石表面功能层。所述梯度是指在一定时间内工艺参数从一个值线性变化为另一个值，随后稳定沉积一段时间。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种掺杂金属类金刚石涂层制备方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将待镀工件放入电弧离子镀膜机中，该电弧离子镀膜机配置装配有金属靶材的金属靶，金属靶前装配有一个悬浮电位的纱网挡板，金属靶旁边装配有阳极；
（2）对电弧离子镀膜机的真空室抽真空后通入氩气，开启金属靶，调节金属靶电流60-150A,通过弧清洗待镀工件表面，活化待镀工件表面；调节偏压从1000v降至40v，沉积≤1um厚度的金属基底层，待金属基底层工艺结束后；
通入氮气，其中氮气的通入流量通过梯度递增方式逐渐从0 sccm增加至100-500sccm，后稳定沉积，并调节真空度，沉积≤2um厚度的金属氮化物层；
然后通过梯度调节氮气及碳氢气体的组分，其中氮气通入流量通过梯度递减方式逐渐从100-500 sccm降低至50-150sccm，碳氢气体的通入流量通过梯度递增方式逐渐从0sccm增加至100-200sccm，后稳定沉积，沉积≤2um的金属碳氮化物；
然后通过梯度调节氮气及碳氢气体的组分，其中氮气通入流量通过梯度递减方式逐渐从50-150 sccm降低至0sccm，碳氢气体的通入流量通过梯度递增方式逐渐从100-200sccm增加至200-400sccm，后稳定沉积，同时及调节偏压从200-100v将至80-40v，沉积≤2um的金属碳化物；
然后通过接通阳极，将电弧离子镀电子引出，形成弧光电子流激发的等离子体，从而提升碳氢气体在真空室的离化率，梯度方式调节金属靶电流大小，沉积梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石层，然后使用稳定的弧电流继续制备掺杂金属类金刚石涂层。
2.根据权利要求1所述的掺杂金属类金刚石涂层制备方法，其特征在于：所述掺杂金属包括金属钛、金属铬或金属钨。
3.根据权利要求1所述的掺杂金属类金刚石涂层制备方法，其特征在于：所述碳氢气体是由含有碳原子及氢原子组成的烷类、炔类、烯类气体。
4.一种如权利要求1-3之一所述的制备方法所制备的制品，其特征在于：在工件的表面依次沉积设置有金属基底层、金属氮化物层、金属碳氮化物、金属碳化物、梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石层和掺杂金属类金刚石涂层。
5.根据权利要求4所述的制品，其特征在于：该工件为切削刀具、精密量具、模具或汽摩配部件。
6.根据权利要求4所述的制品，其特征在于：该工件的材质为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、模具钢中的一种。
7.一种掺杂金属类金刚石涂层组成，其特征在于：该掺杂金属类金刚石涂层是通过电弧离子镀模机，以碳氢气体为工艺气体，以金属靶为靶源，将金属靶通电并设置偏置电压，产生弧光电子流，通过阳极将电弧离子镀放电过程中的电子引出，弧光电子流在与工艺气体的碰撞过程中进一步离化碳氢气体，以离子增强化学气相沉积方式形成类金刚石涂层，在形成类金刚石涂层的过程中，金属靶中的金属离子从金属靶脱出并同时沉积掺杂于类金刚石涂层中，形成掺杂金属类金刚石涂层组成。
8.根据权利要求7所述的一种掺杂金属类金刚石涂层组成，其特征在于：在制备掺杂金属类金刚石涂层过程中，以梯度方式改变金属靶电流大小，获得梯度掺杂金属的掺杂金属类金刚石层，所述梯度是指在一定时间内工艺参数从一个值线性变化为另一个值，随后稳定沉积一段时间。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810159731.9A CN108441825B (zh) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | 掺杂金属类金刚石涂层制备方法及其制品 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810159731.9A CN108441825B (zh) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | 掺杂金属类金刚石涂层制备方法及其制品 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108441825A true CN108441825A (zh) | 2018-08-24 |
| CN108441825B CN108441825B (zh) | 2020-12-29 |
Family
ID=63192968
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810159731.9A Active CN108441825B (zh) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | 掺杂金属类金刚石涂层制备方法及其制品 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108441825B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110923650A (zh) * | 2019-12-04 | 2020-03-27 | 北京大学深圳研究生院 | 一种dlc涂层及其制备方法 |
| CN114045457A (zh) * | 2021-10-30 | 2022-02-15 | 科汇纳米技术（深圳）有限公司 | 镀制类金刚石的方法及在汽车零件上的应用 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2496878Y (zh) * | 2001-09-14 | 2002-06-26 | 陕西百纳科技发展有限责任公司 | 一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置 |
| CN101787512A (zh) * | 2009-12-31 | 2010-07-28 | 中国地质大学（北京） | 一种多元金属元素掺杂类金刚石膜的制备方法 |
| CN203639541U (zh) * | 2013-11-10 | 2014-06-11 | 广东世创金属科技有限公司 | 柔性化多功能真空镀膜设备及其智能控制系统 |
| US20140235513A1 (en) * | 2013-02-19 | 2014-08-21 | Nanotech Industrial Solutions, Inc. | Coating including inorganic fullerene-like particles and inorganic tubular-like particles |
| CN107186373A (zh) * | 2017-06-09 | 2017-09-22 | 华北水利水电大学 | 一种钛基多层膜钎料及其制备方法 |
-
2018
- 2018-02-26 CN CN201810159731.9A patent/CN108441825B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN2496878Y (zh) * | 2001-09-14 | 2002-06-26 | 陕西百纳科技发展有限责任公司 | 一种用于工业生产中制备超硬薄膜的离子源装置 |
| CN101787512A (zh) * | 2009-12-31 | 2010-07-28 | 中国地质大学（北京） | 一种多元金属元素掺杂类金刚石膜的制备方法 |
| US20140235513A1 (en) * | 2013-02-19 | 2014-08-21 | Nanotech Industrial Solutions, Inc. | Coating including inorganic fullerene-like particles and inorganic tubular-like particles |
| CN203639541U (zh) * | 2013-11-10 | 2014-06-11 | 广东世创金属科技有限公司 | 柔性化多功能真空镀膜设备及其智能控制系统 |
| CN107186373A (zh) * | 2017-06-09 | 2017-09-22 | 华北水利水电大学 | 一种钛基多层膜钎料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 王健: "硬质薄膜性能研究及工业化应用", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅰ辑》 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110923650A (zh) * | 2019-12-04 | 2020-03-27 | 北京大学深圳研究生院 | 一种dlc涂层及其制备方法 |
| CN114045457A (zh) * | 2021-10-30 | 2022-02-15 | 科汇纳米技术（深圳）有限公司 | 镀制类金刚石的方法及在汽车零件上的应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108441825B (zh) | 2020-12-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0990061B1 (de) | Verfahren und einrichtung zum vakuumbeschichten eines substrates | |
| CN105755442B (zh) | 一种高效磁过滤等离子体沉积制备dlc厚膜方法 | |
| CN108385066A (zh) | 一种无氢金属掺杂类金刚石涂层制备方法及其制品 | |
| CN101487121B (zh) | 一种金刚石/w-c梯度结构复合涂层及其制备方法 | |
| CN108330459A (zh) | 一种对称磁控溅射工艺及其类金刚石涂层的应用 | |
| CN101701332B (zh) | 中频磁控辉光放电法制备复合类金刚石涂层的方法 | |
| CN108374154B (zh) | 带有复合磁场的类金刚石涂层制备装置及其应用 | |
| US8440327B2 (en) | Method of producing a layer by arc-evaporation from ceramic cathodes | |
| CN208008883U (zh) | 带有复合磁场的类金刚石涂层制备装置 | |
| CN108677144A (zh) | 一种制备铝氮共掺类金刚石复合薄膜的方法 | |
| CN111647851B (zh) | 兼具高硬度和高韧性Zr-B-N纳米复合涂层及其制备方法 | |
| CN111482622B (zh) | 一种涂层切削刀具及其制备方法 | |
| CN105483432B (zh) | 一种钛合金耐磨层及其制备方法 | |
| CN108396309A (zh) | 一种立方氮化硼涂层刀具及其制备方法 | |
| CN108441825A (zh) | 掺杂金属类金刚石涂层制备方法及其制品 | |
| CN114703452B (zh) | 一种CoCrFeNi高熵合金掺杂非晶碳薄膜及其制备方法 | |
| CN114196914B (zh) | 一种碳化物高熵陶瓷材料、碳化物陶瓷层及其制备方法和应用 | |
| Xiang et al. | Influence of textured diamond film on tribological properties of cemented carbide substrate | |
| US5824367A (en) | Method for the deposition of diamond film on an electroless-plated nickel layer | |
| 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 | |
| Sein et al. | Chemical vapour deposition diamond coating on tungsten carbide dental cutting tools | |
| CN103317793B (zh) | 一种类金刚石基纳米复合涂层刀具及其制备方法 | |
| CN112501553A (zh) | 一种Mo掺杂型AlCrSiN/Mo自润滑薄膜及其制备方法 | |
| CN110484881A (zh) | 一种致密二硼化钛涂层及其制备方法和应用 | |
| Shi et al. | Developments and applications of diamond-like carbon |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230425 Address after: 325000 No. 14, Xingji Road, Yongxing street, Longwan District, Wenzhou City, Zhejiang Province Patentee after: Beipu Medical Technology Co.,Ltd. Address before: 325000 incubator of Wenzhou National University Science Park, 38 Dongfang South Road, Ouhai District, Wenzhou City, Zhejiang Province Patentee before: WENZHOU VOCATIONAL & TECHNICAL College |
|
| TR01 | Transfer of patent right |