CN115976488A - 一种具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头及其制备方法，高尔夫球头包括表面形成有纳米硬度超过15GPa的类金刚石涂层的高尔夫球头基体，类金刚石涂层包括由内向外依次分布的厚度为0.5～0.9微米的过渡层和厚度为2.0～4.0微米的含氢碳基涂层，过渡层包括覆盖在高尔夫球头基体的表面上的金属层以及碳成梯度分布在金属层上的金属/C复合层；金属层的厚度为300～500nm，金属/C复合层的厚度为200～400nm。采用本发明制备方法能够快速高效地沉积制备具有类金刚石涂层的高尔夫球头，所制得的高尔夫球头具有优异的耐磨耐蚀性能，涂层膜基结合力强，且表面具有较亮的光泽外观视觉效果。

Description

一种具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头及制备方法

技术领域

本发明涉及高尔夫球头制备技术领域，尤其涉及一种具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头及其制备方法。

背景技术

因为良好的加工性能，金属材料制品在运动器材和钟表等行业广泛应用。高尔夫球头大量使用铁基材料和钛合金，。这些材料的表面硬度较低，通常低于HRC50，高尔夫球头在使用过程中的耐磨性较差。另外，对于一些高尔夫球头，由于大量使用非奥氏体铁基材料，如17－4合金等，需要提高这些球头的耐蚀性能水平。此外，作为装饰性要求，还需要对高尔夫球头进行表面处理，以达到黑亮色泽的外观效果。

目前，各种先进表面改性技术在不断尝试并应用于高尔夫球头制备领域。其中，类金刚石涂层(DLC涂层)由于具有优异的耐磨耐蚀性能，同样在高尔夫球头制造领域引起了广泛关注。但是，目前制备DLC涂层的效率较低，并且制备造价高，如此会严重限制了DLC涂层在高尔夫球头制造领域的广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头及其制备方法，解决了现有技术中高尔夫球头表面制备DLC涂层时沉积速率慢、涂层膜基结合力弱的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头，包括高尔夫球头基体，所述高尔夫球头基体的表面形成有纳米硬度超过15GPa的类金刚石涂层，所述类金刚石涂层包括由内向外依次分布的过渡层和含氢碳基涂层，所述过渡层包括覆盖在高尔夫球头基体的表面上的金属层以及碳成梯度分布在金属层上的金属/C复合层；所述含氢碳基涂层的厚度为2.0～4.0微米，所述金属层的厚度为300～500nm，所述金属/C复合层的厚度为200～400nm，所述过渡层的总厚度为0.5～0.9微米。

进一步，所述含氢碳基涂层的sp³C的体积含量超过45％。

进一步，所述过渡层中的金属层为钛层、铬层、钨层、钛铝合金层或铬铝合金层中的任意一种。

进一步，所述高尔夫球头基体的材质为硬度低于HRC50的软质金属材料。

进一步，所述高尔夫球头基体的材质为铁基合金或钛合金。

第二方面，本发明提供了上述任意一种具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头的制备方法，包括以下步骤：

S1、预处理：将高尔夫球头基体超声清洗表面，并用无油压缩空气吹干待用；

S2、刻蚀活化：将经过步骤S1处理后的高尔夫球头基体置于真空镀膜装置的真空室中，真空室内的压强为0.05～0.15Pa，真空室内安装了2个磁控靶阴极和4个离化源电极，对高尔夫球头基体施加脉冲偏压-150V～-250V，开启离子源利用氩等离子体对高尔夫球头基体的表面进行刻蚀活化，期间维持直流弧电流为60～100A，刻蚀活化的时间为30～60min，刻蚀后的高尔夫球头基体的表面温度达到83℃～150℃；

S3、制备过渡层：往真空室通入氩气并维持压强为0.05～0.15Pa，之后开动2个磁控靶阴极，调节磁控靶阴极的功率维持在4～5千瓦并在高尔夫球头基体上沉积300～500nm厚的金属层；然后维持氩气的通入量并将磁控靶阴极的功率从4～5千瓦线性调小直至1千瓦，同时线性增加甲烷工作气体的流入量直到真空室的压力达到1.0～2.0Pa，启动2个离化源电极，线性调节离化源电极的功率自1.5千瓦到4.0～5.0千瓦进行磁控溅射，对高尔夫球头基体施加脉冲偏压-150V～-250V沉积金属/C复合层，当沉积的金属/C复合层的厚度达到200～400nm，关闭2个磁控靶阴极；

S4、制备高sp³C含量的含氢碳基涂层：维持步骤S3中的氩气的通入量和调节甲烷工作气体的流入量以保持真空室内的压力维持在1.3～2.0Pa，关闭磁控靶阴极，同时启动4个功率调节为4.0～5.0千瓦的离化源电极工作，对高尔夫球头基体施加脉冲偏压-300～-500V，沉积40～60min制备含氢碳基涂层，即制得具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头。

进一步，离化源电极的表面覆盖有a-C:H涂层，a-C:H涂层的厚度≥1微米，a-C:H涂层的表面电阻≥1MΩ。

进一步，离化源电极的表面在垂直电极轴线的环内形成有闭合磁场，闭合磁场在离化源电极的表面垂直电极轴线方向的磁场强度为4000～8000高斯。

进一步，磁控靶阴极和离化源电极的材质为金属或合金。

进一步，磁控靶阴极和离化源电极的材质选用钛、铬、钨、钛铝、铬铝或碳化钨中的任意一种。

与现有技术相比，本发明提供了一种具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头及其制备方法，具备以下有益效果：

本发明通过采用特殊的柱状的离化源电极和传统结构的磁控靶阴极复合使用来在高尔夫球头的表面真空气相沉积制备耐磨耐蚀的高sp³C含量的含氢类金刚石涂层，过渡层总厚度控制在0.5～0.9微米，含氢碳基涂层的厚度控制在2.0～4.0微米；所制备的类金刚石涂层的生长速率达到100～150nm/min，涂层的sp³C体积含量超过45％，涂层的表面纳米硬度超过15GPa，5.5％盐雾腐蚀能力超过96小时。

采用本发明制备方法能够快速高效地沉积制备具有类金刚石涂层的高尔夫球头，所制得的高尔夫球头具有优异的耐磨耐蚀性能，涂层膜基结合力强，且表面具有较亮的光泽外观视觉效果。

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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头的结构示意图。

附图标记：1、高尔夫球头基体；2、过渡层；3、含氢碳基涂层。

具体实施方式

下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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。

下面通过详细的实施例并结合附图对本发明作进一步详细描述。

以下实施例所用的真空镀膜装置为常规设备，共有6个磁控靶，设有离子源和双极脉冲偏压电源，可通过商业途径购买获得。本发明将2个磁控靶改动后作为离化源电极，用于分解周围的碳氢气体；剩余的4个未作改动的磁控靶则作为磁控靶阴极，用于溅射靶表面物质。2个磁控靶阴极共用1个中频孪生电源，每2个离化源电极共用1个中频孪生电源。2个离化源电极的表面覆盖有a-C:H涂层，a-C:H涂层的厚度为1微米，a-C:H涂层的表面电阻超过1MΩ；离化源电极的表面在垂直电极轴线的环内形成有闭合磁场，闭合磁场在离化源电极的表面垂直电极轴线方向的磁场强度为4000～8000高斯。

实施例1

本实施例提供了一种具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头，其采用17-4铁基合金材质的高尔夫球头基体按照以下步骤的制备方法来得到：

S1、预处理：将17-4铁基合金材质的高尔夫球头基体1在GT-Cleaningsystem清洗线进行超声清洗表面，并用无油压缩空气吹干待用。

S2、刻蚀活化：将步骤S1处理干净的高尔夫球头基体1放置在真空镀膜装置的真空室中的样品工作台上，真空室内安装了2个基体材质为钛金属的磁控靶阴极、4个基体材质为WC的离化源电极以及用于形成闭合磁场的线圈，关闭真空室并将背景真空抽到5×10^-3Pa以下，通过离子源通入氩气使真空室维持压强为0.15Pa，开启离子源利用氩等离子体对高尔夫球头基体1的表面进行Ar⁺离子轰击刻蚀清洗，以获得洁净的工件表面，期间维持直流弧电流为100A，对高尔夫球头基体1施加脉冲偏压-250V，刻蚀活化60min后，高尔夫球头基体1的表面温度达到150℃，关闭离子源。

S3、制备过渡层2：往真空室通入氩气并维持压强为0.15Pa，之后开动2个磁控靶阴极，调节磁控靶阴极的功率维持在5.0千瓦并在高尔夫球头基体1上沉积500nm厚的钛层；然后维持氩气的通入量并将磁控靶阴极的功率从5.0千瓦线性调小直至1千瓦，同时线性增加甲烷工作气体的流入量直到真空室的压力达到2.0Pa，启动2个离化源电极，线性调节离化源电极的功率自1.5千瓦到5.0千瓦进行磁控溅射，对高尔夫球头基体1施加脉冲偏压-200V沉积Ti/C复合层，当沉积的Ti/C复合层的厚度达到400nm，关闭2个磁控靶阴极。

S4、制备高sp³C含量的含氢碳基涂层3：维持步骤S3中的氩气的通入量和调节甲烷工作气体的流入量以保持真空室内的压力维持在2.0Pa，关闭磁控靶阴极，同时启动4个功率调节为5.0千瓦的离化源电极工作，对高尔夫球头基体1施加脉冲偏压-500V，沉积60min制备含氢碳基涂层3，即制得具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头。

本实施例所制备得到的具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头，其结构如图1所示，包括材质为17-4铁基合金的高尔夫球头基体1，高尔夫球头基体1的表面形成有类金刚石涂层，类金刚石涂层包括由内向外依次分布的总厚度为0.8微米的过渡层2和厚度为4.0微米的含氢碳基涂层3。其中，过渡层2包括覆盖在高尔夫球头基体1的表面上的400nm厚的钛层以及碳成梯度分布在钛层上的400nm厚的Ti/C复合层。

采用纳米压痕仪(AntonPaarTTX-NHT3，瑞士)测试硬度，加载5mN，加载速率为10mN/min，保压时间为10s。采用入射光子能量为1486.6eV的X射线光电子能谱仪(XPS，ThermoK-Alpha+，美国)分析涂层中的sp³C体积含量比值。经检测，本实施例的高尔夫球头的纳米硬度为18Gpa，涂层中sp³C的体积含量为55％。将高尔夫球头在Tabler上用1100g载荷摩擦50000次后，未暴露基体；经5.5％NaCl中性盐雾试验96小时后未见锈斑。

实施例2

本实施例提供了一种具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头，其采用钛合金材质的高尔夫球头基体按照以下步骤的制备方法来得到：

S1、预处理：将钛合金材质的高尔夫球头基体1在GT-Cleaning system清洗线进行超声清洗表面，并用无油压缩空气吹干待用。

S2、刻蚀活化：将步骤S1处理干净的高尔夫球头基体1放置在真空镀膜装置的真空室中的样品工作台上，真空室内安装了2个基体材质为Ti50Al50合金的磁控靶阴极、4个基体材质为WC的离化源电极以及用于形成闭合磁场的线圈，关闭真空室并将背景真空抽到5×10^-3Pa以下，通过离子源通入氩气使真空室维持压强为0.05Pa，开启离子源利用氩等离子体对高尔夫球头基体1的表面进行Ar⁺离子轰击刻蚀清洗，以获得洁净的工件表面，期间维持直流弧电流为60A，对高尔夫球头基体1施加脉冲偏压-150V，刻蚀活化30min后，高尔夫球头基体1的表面温度达到83℃，关闭离子源。

S3、制备过渡层2：往真空室通入氩气并维持压强为0.05Pa，之后开动2个磁控靶阴极，调节磁控靶阴极的功率维持在4.0千瓦并在高尔夫球头基体1上沉积300nm厚的Ti50Al50合金层；然后维持氩气的通入量并将磁控靶阴极的功率从4.0千瓦线性调小直至1千瓦，同时线性增加甲烷工作气体的流入量直到真空室的压力达到1.0Pa，启动2个离化源电极，线性调节离化源电极的功率自1.5千瓦到4.0千瓦进行磁控溅射，对高尔夫球头基体1施加脉冲偏压-100V沉积(Ti+Al)/C复合层，当沉积的(Ti+Al)/C复合层的厚度达到200nm，关闭2个磁控靶阴极。

S4、制备高sp³C含量的含氢碳基涂层3：维持步骤S3中的氩气的通入量和调节甲烷工作气体的流入量以保持真空室内的压力维持在1.3Pa，关闭磁控靶阴极，同时启动4个功率调节为4.0千瓦的离化源电极工作，对高尔夫球头基体1施加脉冲偏压-300V，沉积60min制备含氢碳基涂层3，即制得具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头。

本实施例所制备得到的具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头，其结构如图1所示，包括材质为钛合金的高尔夫球头基体1，高尔夫球头基体1的表面形成有类金刚石涂层，类金刚石涂层包括由内向外依次分布的总厚度为0.5微米的过渡层2和厚度为2.0微米的含氢碳基涂层3。其中，过渡层2包括覆盖在高尔夫球头基体1的表面上的300nm厚的钛铝层以及碳成梯度分布在钛铝层上的200nm厚的(Ti+Al)/C复合层。

采用纳米压痕仪(AntonPaarTTX-NHT3，瑞士)测试硬度，加载5mN，加载速率为10mN/min，保压时间为10s。采用入射光子能量为1486.6eV的X射线光电子能谱仪(XPS，ThermoK-Alpha+，美国)分析涂层中的sp³C体积含量比值。经检测，本实施例的高尔夫球头的纳米硬度为16Gpa，涂层中sp³C的体积含量为49％。将高尔夫球头在Tabler上用1100g载荷摩擦50000次后，未暴露基体；经5.5％NaCl中性盐雾试验96小时后未见锈斑。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头，包括高尔夫球头基体，其特征在于，所述高尔夫球头基体的表面形成有纳米硬度超过15GPa的类金刚石涂层，所述类金刚石涂层包括由内向外依次分布的过渡层和含氢碳基涂层，所述过渡层包括覆盖在高尔夫球头基体的表面上的金属层以及碳成梯度分布在金属层上的金属/C复合层；所述含氢碳基涂层的厚度为2.0～4.0微米，所述金属层的厚度为300～500nm，所述金属/C复合层的厚度为200～400nm，所述过渡层的总厚度为0.5～0.9微米。

2.根据权利要求1所述的具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头，其特征在于，所述含氢碳基涂层的sp³C的体积含量超过45％。

3.根据权利要求1所述的具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头，其特征在于，所述过渡层中的金属层为钛层、铬层、钨层、钛铝合金层或铬铝合金层中的任意一种。

4.根据权利要求1所述的具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头，其特征在于，所述高尔夫球头基体的材质为硬度低于HRC50的软质金属材料。

5.根据权利要求4所述的具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头，其特征在于，所述高尔夫球头基体的材质为铁基合金或钛合金。

6.一种制备如权利要求1～5中任一项具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、预处理：将高尔夫球头基体超声清洗表面，并用无油压缩空气吹干待用；

S2、刻蚀活化：将经过步骤S1处理后的高尔夫球头基体置于真空镀膜装置的真空室中，真空室内的压强为0.05～0.15Pa，真空室内安装了2个磁控靶阴极和4个离化源电极，对高尔夫球头基体施加脉冲偏压-150V～-250V，开启离子源利用氩等离子体对高尔夫球头基体的表面进行刻蚀活化，期间维持直流弧电流为60～100A，刻蚀活化的时间为30～60min，刻蚀后的高尔夫球头基体的表面温度达到83℃～150℃；

S3、制备过渡层：往真空室通入氩气并维持压强为0.05～0.15Pa，之后开动2个磁控靶阴极，调节磁控靶阴极的功率维持在4～5千瓦并在高尔夫球头基体上沉积300～500nm厚的金属层；然后维持氩气的通入量并将磁控靶阴极的功率从4～5千瓦线性调小直至1千瓦，同时线性增加甲烷工作气体的流入量直到真空室的压力达到1.0～2.0Pa，启动2个离化源电极，线性调节离化源电极的功率自1.5千瓦到4.0～5.0千瓦进行磁控溅射，对高尔夫球头基体施加脉冲偏压-150V～-250V沉积金属/C复合层，当沉积的金属/C复合层的厚度达到200～400nm，关闭2个磁控靶阴极；

S4、制备高sp³C含量的含氢碳基涂层：维持步骤S3中的氩气的通入量和调节甲烷工作气体的流入量以保持真空室内的压力维持在1.3～2.0Pa，关闭磁控靶阴极，同时启动4个功率调节为4.0～5.0千瓦的离化源电极工作，对高尔夫球头基体施加脉冲偏压-300～-500V，沉积40～60min制备含氢碳基涂层，即制得具有耐磨耐蚀类金刚石涂层的高尔夫球头。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，离化源电极的表面覆盖有a-C:H涂层，a-C:H涂层的厚度≥1微米，a-C:H涂层的表面电阻≥1MΩ。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，离化源电极的表面在垂直电极轴线的环内形成有闭合磁场，闭合磁场在离化源电极的表面垂直电极轴线方向的磁场强度为4000～8000高斯。

9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，磁控靶阴极和离化源电极的材质为金属或合金。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，磁控靶阴极和离化源电极的材质选用钛、铬、钨、钛铝、铬铝或碳化钨中的任意一种。

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