專利名稱：雙離子束直接沉積類金剛石膜的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及類金剛石膜的合成工藝，尤其是載能離子束合成類金剛石膜的工藝。
現(xiàn)有技術(shù)類金剛石(DLC)具有硬度高、摩擦系數(shù)低、導(dǎo)熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能，且沉積溫度比較低(＜300℃)，沉積面積大，膜面光滑平整，是材料表面改性的理想涂層材料。目前合成類金剛石膜的工藝方法總體上可分為載能離子轟擊輔助沉積和無載能離子轟擊輔助沉積，其中載能離子束合成類金剛石膜的典型工藝主要有離子束輔助沉積(IBAD)和離子束直接沉積(IBD)。離子束輔助沉積(IBAD)類金剛石膜技術(shù)是在離子束輔助轟擊下鍍膜，目前其鍍膜方式主要有兩種一種是采用電子槍蒸發(fā)固體碳源鍍膜；另一種是采用離子束濺射石墨靶鍍膜(稱之為雙離子束濺射沉積，DIBS)。盡管離子束輔助沉積技術(shù)較其它沉積方法能提高類金剛石膜粘結(jié)強(qiáng)度，但要使之能適應(yīng)強(qiáng)摩擦條件下工作，還有一定困難，它主要來自兩個(gè)方面，一是現(xiàn)有的離子束輔助沉積典型工藝方法制備類金剛石膜難度較大，因?yàn)槭哂袑訝罱Y(jié)構(gòu)，在濺射或蒸發(fā)時(shí)容易形成片狀大顆粒(原子團(tuán))，在離子束輔助轟擊下，如果工藝條件不合適，C-C鍵結(jié)構(gòu)難以轉(zhuǎn)變，致使合成的碳膜質(zhì)量較差，其工藝難以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)的要求；另一方面，高硬度的類金剛石膜與鋼鐵等工件結(jié)合時(shí)存在很大的應(yīng)力，這種應(yīng)力受薄膜合成工藝及薄膜組織結(jié)構(gòu)的影響，成為導(dǎo)致類金剛石膜粘結(jié)強(qiáng)度減弱的主要原因，實(shí)驗(yàn)研究表明，為避免應(yīng)力對類金剛石膜的摩擦磨損等性能的影響，離子束輔助沉積制備的類金剛石膜用于表面改性的最佳厚度僅為0.5μm，這種限制使類金剛石膜難以應(yīng)用在承受大磨損載荷的機(jī)械工程耐磨零件的服役環(huán)境中。而離子束直接沉積(IBD)類金剛石膜是使用具有一定能量的含碳?xì)庀嚯x子束直接沉積碳膜的技術(shù)，合成的膜質(zhì)量高而穩(wěn)定，在離子束直接沉積工藝過程中，離子束在沉積的同時(shí)也對已生長的膜層進(jìn)行了轟擊，但其轟擊注入的效果較差，粘結(jié)強(qiáng)度低于離子束輔助沉積膜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能顯著提高類金剛石膜粘結(jié)強(qiáng)度和質(zhì)量穩(wěn)定性，滿足機(jī)械強(qiáng)摩擦工作要求，簡化工藝條件，適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)要求的雙離子束直接沉積類金剛石膜的工藝。
本發(fā)明的技術(shù)方案是用雙離子束轟擊制作混合界面，低能離子束直接沉積類金剛石膜。所述的用于轟擊制作混合界面的雙離子束為低能含碳離子束和中能Ar+離子束，所述的用于直接沉積類金剛石膜的低能離子束為低能含碳離子束。
本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于用低能離子束直接沉積類金剛石膜層，同時(shí)用中能Ar+離子束轟擊膜層。
本發(fā)明采用200～1000eV的低能含碳離子束直接沉積類金剛石膜層，同時(shí)用20k～35keV的中能Ar+離子束轟擊膜層，將碳離子注入到基體表層足夠的深度，以混合膜基原子形成能顯著提高膜粘結(jié)強(qiáng)度的模糊界面，在此過程中兩離子束束流進(jìn)行交替變化，界面混合一定時(shí)間后，停止中能離子束轟擊，低能含碳離子束繼續(xù)直接沉積類金剛石膜，保持了界面混合和鍍膜過程的連續(xù)性，操作簡便，類金剛石膜質(zhì)量穩(wěn)定。
雙離子束轟擊混合技術(shù)既是一種離子束輔助鍍膜過程，也是一種動態(tài)反沖離子注入過程。載能碳離子通過中能Ar+的輔助轟擊，由于輻照加速擴(kuò)散和離子能量交換作用，使碳離子注入深度增加，同時(shí)注入碳離子與襯底表層原子的混合，使界面的成份、組織結(jié)構(gòu)和晶格匹配發(fā)生改變，從而緩釋膜基界面應(yīng)力。因此，雙離子束轟擊混合技術(shù)通過增加碳注入襯底表層的深度和降低膜應(yīng)力而增強(qiáng)類金剛石膜的粘結(jié)強(qiáng)度。
本發(fā)明的具體工藝為200～200～200～200～200～200～200～低能 CHn+1000eV/25～ 1000eV/10～ 1000eV/25～ 1000eV/10～ 1000eV/25～ 1000eV/10～1000eV/25～40mA40mA 20mA 40mA 20mA 40mA 20mA20～ 20～ 20～ 20～ 20～ 20～中能Ar+035keV/1mA35keV/2mA35keV/1mA35keV/2mA35keV/1mA35keV/2mA時(shí)間(min) 10 10 10 10 10 10 60～300功能沉積類金剛石膜的同時(shí)進(jìn)行界面混合沉積類金剛石膜本發(fā)明的工藝流程為先對襯底表面進(jìn)行磨平拋光、清潔干燥等預(yù)處理，用低能大束流Ar+離子束轟擊清洗待處理工件表面，用低能含碳離子束直接沉積類金剛石膜層，同時(shí)用中能Ar+離子束轟擊膜層，一定時(shí)間后，停止中能Ar+離子束轟擊，繼續(xù)用低能含碳離子束直接沉積類金剛石膜；最后對膜層進(jìn)行性能測試，整個(gè)工藝過程完成，工件可應(yīng)用于生產(chǎn)。
本發(fā)明可以對包括鋼鐵、硬質(zhì)合金等許多材料表面進(jìn)行類金剛石膜涂層改性處理。在沉積類金剛石膜之前，須對襯底表面進(jìn)行磨平拋光、清潔干燥等預(yù)處理；實(shí)施本發(fā)明所采用的設(shè)備為常用的離子束輔助沉積(IBAD)設(shè)備，本底真空為5×10-5Pa，工作氣壓(1～2)×10-2Pa，低能離子源采用高純CH4作為氣源，產(chǎn)生低能CHn+離子束，中能離子源采用高純Ar作氣源，產(chǎn)生中能Ar+離子束；為了保證鍍膜均勻和襯底溫度低于150℃，樣品臺采用水冷并旋轉(zhuǎn)。
實(shí)施本發(fā)明所用的離子束輔助沉積(IBAD)設(shè)備，一般配備三個(gè)離子源，各離子源作用如下表

根據(jù)上表，本發(fā)明也可在專用設(shè)備上實(shí)施，即專用設(shè)備只需配備兩個(gè)離子源，一個(gè)低能離子源用于沉積類金剛石膜；一個(gè)中能離子源用于轟擊膜層，將碳離子注入到基體表層足夠的深度，以混合膜基原子形成能顯著提高膜粘結(jié)強(qiáng)度的模糊界面。
由于本發(fā)明合成類金剛石膜是在常溫下完成的，因此類金剛石涂層可以在任何需減摩、耐磨、耐蝕的工件上應(yīng)用。但類金剛石膜的應(yīng)用受兩方面因素制約，一是膜的粘結(jié)強(qiáng)度，二是成本因素，雙離子束直接沉積類金剛石膜作為一種高新技術(shù)，不適合在普通工件上應(yīng)用，其機(jī)械應(yīng)用范圍首選航空軸承、汽車易磨蝕的關(guān)鍵零部件(如活塞和活塞環(huán)、氣門挺桿和導(dǎo)管、驅(qū)動齒輪等)、汽輪機(jī)葉片以及精密加工刀具等。這些零部件每年全球消耗量極大，大多工作在摩擦磨損、腐蝕等工況環(huán)境下，有些還工作在干摩擦條件下，類金剛石膜在這類工況條件下工作具有無可替代的優(yōu)越性。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)在于(1)、采用雙離子束轟擊混合技術(shù)，碳離子注入襯底表層深度可達(dá)200nm以上，遠(yuǎn)大于離子束輔助沉積的幾十納米和離子束直接沉積的十幾納米，同時(shí)由于界面混合作用，緩釋了類金剛石膜應(yīng)力，從而顯著提高類金剛石膜粘結(jié)強(qiáng)度。劃痕試驗(yàn)表明，膜剝落臨界載荷大于50N，甚至超出儀器的測試極限(100N)，大于離子束輔助沉積的結(jié)果；(2)、由于碳注入基體表層足夠深度，提高了基體硬度，形成對膜的強(qiáng)力支撐，從而提高類金剛石膜復(fù)合硬度，膜顯微硬度HV可達(dá)25～35GPa，優(yōu)于離子束輔助沉積的18～35GPa和離子束直接沉積的20～30GPa；(3)、由于直接采用CHn+沉積類金剛石膜，其工藝操作簡便，膜質(zhì)量穩(wěn)定，能適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)；(4)、除混合界面外，沉積類金剛石膜過程僅使用一個(gè)低能離子源，與常規(guī)離子束輔助沉積工藝沉積類金剛石膜一直采用兩個(gè)離子源相比，可降低生產(chǎn)成本。
三種工藝的綜合比較如下表主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo) 本發(fā)明 離子束輔助沉積(雙離 離子束直接沉積子束濺射沉積)混合界面層深度 數(shù)百納米數(shù)十納米 十幾納米應(yīng)力 小 中 大類金剛石膜粘結(jié)強(qiáng)度 高 較高 低HV(40Cr襯底，壓載0.15N) 25～356Pa 18～35GPa20～30GPa類金剛石膜質(zhì)量穩(wěn)定性 穩(wěn)定不穩(wěn)定 穩(wěn)定重復(fù)性 好 一般 好沉積效率 較高高 較高成本 低 高 低


圖1為本發(fā)明工藝流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的工藝流程為(1)襯底預(yù)處理對襯底表面進(jìn)行磨平拋光、清潔干燥等預(yù)處理；(2)襯底表面離子束轟擊清洗用低能大束流Ar+離子束轟擊清洗待處理工件表面；(3)雙離子束轟擊制作混合界面用低能含碳離子束直接沉積類金剛石膜層，同時(shí)用中能Ar+離子束轟擊膜層。
(4)中能離子束停止轟擊，低能離子束直接沉積類金剛石膜停止中能Ar+離子束轟擊，繼續(xù)用低能含碳離子束直接沉積類金剛石膜；(5)檢測、應(yīng)用對膜層進(jìn)行性能測試，工件應(yīng)用于生產(chǎn)。
實(shí)施例一、類金剛石膜涂層刀具制作工藝流程市售硬質(zhì)合金YG6刀具(刀具型號為C116)→刀具表面拋光研磨→開刃(按要求磨出刀刃，刀尖圓弧半徑為1.2mm)→丙酮超聲清洗→烘干→裝入離子束輔助沉積裝置真空室內(nèi)的樣品臺上(樣品臺采用水冷并旋轉(zhuǎn))→用1000eV、100mA低能Ar+離子束轟擊清洗刀具表面20min→雙離子束轟擊制作混合界面(具體工藝見下表)→停止中能離子束轟擊，繼續(xù)用低能CHn+離子束(能量350eV，束流25mA)直接沉積類金剛石膜5小時(shí)→試用低能CHn+350eV/25mA 350eV/10mA 350eV/25mA 350eV/10mA 350eV/25mA 350eV/10mA中能Ar+30keV/1mA 30keV/2mA 30keV/1mA 30keV/2mA 30keV/1mA 30keV/2mA時(shí)間(min) 10 10 10 10 10 10應(yīng)用效果制作成功一把類金剛石膜涂層刀具，在某廠數(shù)控“軟靠?！狈滦螜C(jī)床上進(jìn)行了車削6105Q-1C活塞外圓應(yīng)用試驗(yàn)，切削工件材料為ZL109(含Si11～13％的鋁合金)，活塞外圓直徑名義尺寸為Φ105mm，機(jī)床轉(zhuǎn)速為1500r/min，切削深度為0.15～0.20mm，斷續(xù)干式切削。試驗(yàn)刀具加工的活塞表面粗糙度及尺寸、形狀精度均符合加工要求，共加工活塞4500個(gè)。由于汽車工業(yè)的發(fā)展，活塞表面質(zhì)量和尺寸精度及形狀精度要求提高，表面粗糙度Ra≤1.6μm，尺寸精度±0.01mm，6105Q-1C活塞外圓的加工型面為中凸變橢型面，而硬質(zhì)合金刀具由于切削抗力大、易磨損，因而不適應(yīng)高速切削，而且壽命低及不能保證加工精度，因此硬質(zhì)合金刀具已不適用于加工該類活塞外圓。當(dāng)硬質(zhì)合金刀具上沉積類金剛石膜后，由于類金剛石耐磨、減摩作用，其切削抗力下降，切削過程中磨損速率降低，從而可以保證切削工件的尺寸和形狀精度。從這個(gè)角度上講，在硬質(zhì)合金刀具上涂覆類金剛石膜的意義不僅是壽命的提高，而且是其能否加工高質(zhì)量活塞的問題。但對于某些表面質(zhì)量要求不高且加工型面為正圓的活塞，目前仍可采用硬質(zhì)合金加工，每把刀可加工外圓正圓的活塞1500～2000個(gè)(活塞材料為ZL109)，現(xiàn)在工廠普遍采用的車削活塞的刀具是聚晶金剛石刀具(PCD)，每把刀(采用英美進(jìn)口材料制作)可加工6105Q-1C活塞6000～8000個(gè)，但刀的價(jià)格比較高，約為200～400元/把，是類金剛石涂層刀具的3～5倍。
實(shí)施例二、40Cr鋼表面類金剛石膜涂層改性工藝流程淬、回火40Cr鋼→切割成直徑24mm、高7.8mm的圓柱試樣若干個(gè)→端面磨平拋光→丙酮超聲清洗→烘干→裝入離子束輔助沉積裝置真空室內(nèi)的樣品臺上(樣品臺采用水冷并旋轉(zhuǎn))→用1000eV、60mA低能Ar+離子束轟擊清洗試樣表面10min→雙離子束轟擊制作混合界面(具體工藝見下表)→停止中能離子束轟擊，繼續(xù)用低能CHn+離子束(能量400eV，束流25mA)直接沉積類金剛石膜3小時(shí)→性能測試低能CHn+400eV/25mA 400eV/10mA 400eV/25mA 400eV/10mA 400eV/25mA 400eV/10mA中能Ar+25keV/1mA 25keV/2mA 25keV/1mA 25keV/2mA 25keV/1mA 25keV/2mA時(shí)間(min) 10 10 10 10 10 10性能測試結(jié)果(1)顯微硬度HV為29.93Gpa(2993kg/mm2)(測試條件壓載15g，保載時(shí)間20s)；(2)膜粘結(jié)強(qiáng)度高，劃痕試驗(yàn)表明，膜剝落臨界載荷大于100N(超出儀器的測試極限)；(3)摩擦磨損試驗(yàn)表明，類金剛石膜涂層磨損量是40Cr鋼基體的1/274，抗磨損指數(shù)AWN是40Cr鋼基體的1.52倍；實(shí)施例三、2Cr13不銹鋼表面類金剛石膜涂層改性工藝流程2Cr13不銹鋼→切割成直徑20mm、高10mm的圓柱試樣若干個(gè)→端面磨平拋光→丙酮超聲清洗→烘干→裝入離子束輔助沉積裝置真空室內(nèi)的樣品臺上(樣品臺采用水冷并旋轉(zhuǎn))→用1000eV、60mA低能Ar+離子束轟擊清洗試樣表面10min→雙離子束轟擊制作混合界面(具體工藝見下表)→停止中能離子束轟擊，繼續(xù)用低能CHn+離子束(能量350eV，束流25mA)直接沉積類金剛石膜2小時(shí)→耐蝕性能測試低能CHn+350eV/25mA 350eV/10mA 350eV/25mA 350eV/10mA 350eV/25mA 350eV/10mA中能Ar+25keV/1mA 25keV/2mA 25keV/1mA 25keV/2mA 25keV/1mA 25kV/2mA時(shí)間(min) 10 10 10 10 10 10耐蝕性能測試結(jié)果試樣在3.5％NaCl溶液中浸泡14小時(shí)，失重試驗(yàn)表明，腐蝕速度為0.004g/m2·h，遠(yuǎn)低于基體的腐蝕速度0.51g/m2·h。
權(quán)利要求
1.一種雙離子束直接沉積類金剛石膜的工藝，其特征在于用雙離子束轟擊制作混合界面，低能離子束直接沉積類金剛石膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙離子束直接沉積類金剛石膜的工藝，其特征在于所述的用于轟擊制作混合界面的雙離子束為低能含碳離子束和中能Ar+離子束，所述的用于直接沉積類金剛石膜的低能離子束為低能含碳離子束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙離子束直接沉積類金剛石膜的工藝，其特征在于用低能含碳離子束直接沉積類金剛石膜層，同時(shí)用中能Ar+離子束轟擊膜層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙離子束直接沉積類金剛石膜的工藝，其特征在于采用200～1000eV的低能含碳離子束直接沉積類金剛石膜層，同時(shí)用20k～35keV的中能Ar+離子束轟擊膜層，在此過程中兩離子束束流進(jìn)行交替變化，界面混合一定時(shí)間后，停止中能Ar+離子束轟擊，低能含碳離子束繼續(xù)直接沉積類金剛石膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙離子束直接沉積類金剛石膜的工藝，其特征在于其具體工藝為200～ 200～ 200～ 200～ 200～ 200～ 200～低能CHn+1000eV/25～1000eV/10～1000eV/25～1000eV/10～1000eV/25～ 1000eV/10～1000eV/25～40mA 20mA 40mA 20mA 40mA 20mA 40mA中能Ar+20～35keV/1mA 20～35keV/2mA 20～35keV/1mA 20～35keV/2mA 20～35keV/1mA 20～35keV/2mA0時(shí)間(min) 10 10 10 10 1010 60～300沉積類金剛功能沉積類金剛石膜的同時(shí)進(jìn)行界面混合石膜
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4或5所述的雙離子束直接沉積類金剛石膜的工藝，其特征在于其工藝流程為(1)襯底預(yù)處理對襯底表面進(jìn)行磨平拋光、清潔干燥等預(yù)處理；(2)襯底表面離子束轟擊清洗用低能大束流離子束轟擊清洗待處理工件表面；(3)雙離子束轟擊制作混合界面用低能含碳離子束直接沉積類金剛石膜層，同時(shí)用中能Ar+離子束轟擊膜層；(4)低能離子束直接沉積類金剛石膜停止中能Ar+離子束轟擊，繼續(xù)用低能含碳離子束直接沉積類金剛石膜；(5)檢測、應(yīng)用對膜層進(jìn)行性能測試，工件應(yīng)用于生產(chǎn)。
全文摘要
一種雙離子束直接沉積類金剛石膜的工藝,其特征在于用雙離子束轟擊制作混合界面,低能離子束直接沉積類金剛石膜;用低能含碳離子束直接沉積類金剛石膜層,同時(shí)用中能Ar
文檔編號C23C14/06GK1348018SQ0112859
公開日2002年5月8日 申請日期2001年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月12日
發(fā)明者周靈平, 朱啟良, 李紹祿, 過騏千, 林美娟, 黃桂芳, 王錦輝, 李德意, 厲學(xué)文, 靳九成, 吳玉珍, 唐應(yīng)時(shí), 白玉蘭, 汪亮明, 李夏平 申請人:湖南大學(xué)