CN1196401A - 大面积类金刚石碳膜低温制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种材料表面大面积类金刚石碳膜低温制备方法及装置,具体说是在密闭的真空室内充入含碳气体,并对工件施加负高压电脉冲,激发等离子体,在工件温度不变的条件下,在其表面形成一层膜基间无界面的大面积类金刚石碳膜。其装置为一个具有封闭磁场的真空室,室外设高压脉冲电源及磁场,室内设工件台或支架及高电压引入电极,以及油冷、水冷系统。采用本发明可以对成批工件,在其表面制取一层无界面的高结合力的类金刚石碳膜。

Description

大面积类金刚石碳膜低温制备方法及装置

本发明提出一种在材料表面淀积一层类金刚石碳膜的方法及装置。

现有的类金刚石碳(DLC)膜的制备方法有以下几种，1.离子束淀积，2，离子束辅助淀积，3.射频溅射淀积，4.磁控溅射淀积，5.真空阴极弧淀积，6.直流辉光放电淀积，7.射频辉光放淀积和激光等离子体淀积。但是这些方法都受有一定的局限性。离子束淀积和离子束辅助淀积，虽然可以在保持工件在较低温度下获得良好结合力的DLC膜，但它是个视线过程，只适用于平板型零件，而对非平板型工件表面很难获得均匀的DLC膜。后几种方法虽然没有视线过程，但他们制取的DLC膜是纯淀积层，膜基间有明显的界面，膜基结合力很差，为了提高膜基结合力，一般要求基材加热到500℃左右。有的工艺本身要求温度在500℃以上，因而对滚动轴承类零件，其最终热处理温度低于200℃的工件不能采用。

本发明的目的是提出一种实用的、大面积类金刚石碳(DLC)膜的低温制备方法和装置，在各种形状的金属、非金属、陶瓷、高分子和半导体材料制品表面上，在室温或基材温度不高于150℃条件下，获得与基材没有界面的结合力很好的，厚度从nm至μm量级的类金刚碳膜，以提高其硬度，耐磨性、耐蚀性、降低摩擦系数，以及获得各种特殊的物理、化学性能。

本发明的目的是通过下述方法和设备实现的，在放置有上述材料工件的具有背底真空1×10^-4Pa的真空室内，充以甲烷气或乙炔气至气压7～1×10^-1Pa，以放在工作台上的工件为阴极，真空室壁为阳极，施加2～30KV脉冲电压，发生脉冲辉光放电，分解甲烷气或乙炔气，产生含碳等离子体，其中含碳离子在电场作用下，冲向工件表面，部分注入工件表面，部分碳淀积在工件表面，多次脉冲，多次重复这种作用，最终在工件表面形成无界面的类金刚石碳(DLC)膜。本发明产生含碳等离子体的方法，主要为低气压含碳气体在高电压脉冲作用下，发生辉光放电。所采用含碳气体一般为甲烷气或乙炔气，也可以采用有机液体的挥发气，如苯、丙酮等。气压一般为7～1×10^-1Pa。所采用的高电压脉冲为：峰值电压2～30KV，脉宽10～200μs，重复频率：50～400Hz。

实现本发明的装置为一密闭真空室，极限真空为1×10^-4Pa，其结构及工作示意图如图1。真空室壁用水冷却，工作台用由冷却，工作台可公转和自转。产生辉光放电的脉冲电压、脉宽、重复频率连续可调，脉冲可以连续施加，也可以断续施加。脉冲电压、脉宽、频率及施加方式，根据工件尺寸、数量、排布，膜厚及工件允许工作温度而定。本发明装置主要包括真空室，真空室四周用永磁或电磁产生的封闭磁场，高压脉冲电源，真空系统和供气系统，真空室壁和工作台的冷却系统，以及工作台的公转自转传动系统，其中用永磁条或电磁线圈在真空室7四周构成封闭磁场，工件5按装在支架3上，支架3与真空室壁用高压电极2绝缘并与真空室外高压脉冲电源1连接，真空系统通过抽气口6与真空室连通，工件支架3可以公转、自转、正转、反转，并用变压器油冷却，真空室壁用水冷却，真空室7由奥氏体不锈钢制成，供气系统通过进气口8与真空室7连通，真空室形状可以是圆桶形、方形、可以是卧式或立式，四周封闭磁场用永久磁铁南、北极相间排列于真空室外侧，使真室内壁的会切磁场形成沿室壁的封闭磁场，或用磁场线圈，其排例使真空室内沿内壁产生封闭磁场。

本发明可用于各种精密传动耐磨件、特别是在空间环境下工作的航天飞行器零件作固体润滑膜和耐磨层，各种难加工材料的切削刀具、计算机磁介质保护膜，如计算机硬盘、磁头等表面的减摩、耐磨保护膜、电绝缘膜，光学保护膜等。轴承钢GCr15制滚动轴承的内外环滚道和钢球，利用本发明，在表面制备各一层类金刚石碳膜，结合力很好，基体性能不变，摩擦系数由0.75降至0.15以下，表面硬度H_k为11～13GPa，耐磨性提高10倍以上。钛合金TC₄先进行等离子体基离子注入N，再在表面周本发明制备一层DLC膜，其摩擦系数由0.45降至0.15以下，耐磨性提高20倍以上。用超硬高速钢制齿轮剃齿刀，径多弧离子镀TiN后，再径30KV，C₂H₂介质脉冲辉光放电制取DLC层后，剃齿时，切削热减少，被梯齿轮表面粗糙度改善，剃齿刀使用寿命提高3倍以上。谐波齿轮柔轮柔性轴承用20KV脉冲电压辉光放电制取DLC膜，既作固体润滑剂，又作耐磨层，制取的DLC膜与基材没有界面，膜基结合力好，因而在齿轮传动过程中，柔轮和柔性轴承径多次循环弯曲变形，但DLC膜无剥落现象发生。

图1为本发明的装置结构示意图

图2为本发明实施例X线光电子能谱成分深度分布图

图3为本发明实施例激光喇曼光谱图

图4为未经本发明表面淀积DLC的轴承钢GCr15的摩擦系数随摩擦转数变化曲线

图5为本发明实施例摩擦系数随摩擦转数变化曲线

实施例1.轴承钢GCr15制滚动轴承，用乙炔气作介质，气压为4×10^-1Pa，在脉冲电压20KV，脉宽20μs和重复频率60Hz条件下，辉光放电持续2h，制取DLC膜，用X线光电子能谱仪进行成分深度分析结果如图2，可见膜基间没有界面，没有成分突变，经激光喇曼光谱测定为DLC膜，如图3。有DLC和无DLC的GCr15摩擦副的摩擦系数变化曲线如图4，其耐磨性提高10倍以上，接触疲劳寿命提高10倍以上。

实施例2.超硬高速钢W6Mo5Cr4V2Al2制齿轮剃齿刀，表面经多弧离子镀TiN 2μm，然后用乙炔气作介质，气压为2×10^-1Pa，在脉冲电压为30KV，脉宽30μs，重复频率为60Hz条件下，脉冲辉光放电持续3h，在表面制取一层DLC膜，切削寿命提高3-5倍。

实施例3.TC₄钛合金，经等离子体基离子注入N，然后再用乙炔气，气压为5×10^-1Pa，脉冲电压20KV，脉宽20μs，重复频率80Hz条件下，脉冲辉光放电持续2h，在表面形成一层DLC，其摩擦系数由0.45下降至0.15以下，耐磨性提高100倍。

Claims (5)

1.一种大面积类金刚石碳膜低温制备方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：将工件放在加有磁场的密闭真空室内，其真空度为≤1×10^-4Pa，磁场为封闭磁场，磁场强度为1000-3000高斯，充以含碳气体，至气压为7～1×10^-1Pa，以工件为阴极，室壁为阳极，施加2～30KV的脉冲电压，脉宽为10～200μs，重复频率50～400Hz，激发辉光放电，产生含碳等离子体，并在工件表面注入和淀积一层类金刚石碳(以下称DLC)膜。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：激发含碳等离子体的方法，是在真空室内充以含碳气体在气压为7～1×10^-1Pa条件下，用高压脉冲电激发辉光放电，其所用含碳气体，可以是甲烷、乙炔，也可以是苯、丙酮等有机液体的挥发气，可以是单一的气体，也可以是含碳气体与氢的混合气。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的工件是机器零件、工模具、半导体器件、计算机硬盘、磁头、人工关节，光学器件及陶瓷器件等，可以是单个工件，也可以是成批工件，可以是金属及其合金，陶瓷材料、半导体材料、复合材料，高分子材料等。

4.一种用于权利要求1至3所述方法的装置，包括真空室，真空室四周用永磁或电磁产生的封闭磁场，高压脉冲电源，真空系统和供气系统，真空室壁和工作台的冷却系统，以及工作台的公转自转传动系统，其特征在于：用永磁务或电磁线圈在真空室[7]四周构成封闭磁场，工件[5]按装在支架[3]上，支架[3]与真空室壁用高压电极[2]绝缘并与真空室外高压脉冲电源[1]连接，真空系统通过抽气口[6]与真空室连通，工件支架[3]可以公转、自转、正转、反转，并用变压器油冷却，真空室壁用水冷却，真空室[7]由奥氏体不锈钢制成，供气系统通过进气口[8]与真空室[7]连通。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：真空室形状可以是圆桶形、方形、可以是卧式或立式，四周封闭磁场用永久磁铁南、北极相间排列于真空室外侧，使真室内壁的会切磁场形成沿室壁的封闭磁场，或用磁场线圈，其排例使真空室内沿内壁产生封闭磁场。

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