專利名稱：一種在陶瓷閥芯表面沉積防護薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在陶瓷閥芯表面沉積防護薄膜的方法。
背景技術(shù)：
隨水資源環(huán)境的日益嚴峻，節(jié)約用水已備受人們的關(guān)注。通常來說，龍頭質(zhì)量好與 壞，閥芯是關(guān)鍵。目前，市場上常用闊芯材料有橡膠、不銹鋼、金屬、陶瓷等，其中比 較而言，陶瓷閥芯具有密封性好、耐熱性高、價格低、對水質(zhì)污染較小、開關(guān)輕便靈活、 長壽命等綜合優(yōu)點，因此，已成為市場上中高檔龍頭產(chǎn)品的首選閥芯材料。與其它閥芯 龍頭相比，陶瓷閥芯用的節(jié)水型龍頭一般可達開合數(shù)十萬次不漏一滴水，節(jié)約用水可高 達30% 50%。然而，陶瓷閥芯質(zhì)地硬、脆、難加工，且對水質(zhì)要求較高(水中雜質(zhì)或氧 化物會導(dǎo)致平滑的陶瓷接觸面磨損而產(chǎn)生縫隙，最終失去防漏水功能)，這使其廣泛應(yīng) 用受到嚴重限制。
一般而言，在使用過程中，為降低陶瓷閥芯的摩擦磨損，陶瓷閥芯片必需經(jīng)過嚴格 精密的后續(xù)表面拋光處理，且為提高其密封特性和進一步降低磨損、延長壽命，闊芯片 上都涂敷有一定的潤滑密封硅脂。然而，在長期的龍頭開關(guān)使用過程中，冷熱水流一方 面對硅脂的沖刷去除會導(dǎo)致其密封性降低、摩擦磨損增加、使用手感干澀；另一方面水 流沖刷過硅脂后會含殘留有一定的有害化學(xué)元素成分，這長期對人體健康會造成一定影 響，因此，在能源、環(huán)保和生物醫(yī)學(xué)的迅猛發(fā)展下，為使陶瓷閥芯在長期服役期間內(nèi)保 持良好的節(jié)水、密封、防漏、使用舒適感等功能，及盡可能的降低其對人體的健康危害， 必須對陶瓷閥芯表面進行后續(xù)的耐磨潤滑處理。然而，從目前的表面耐磨處理手段來看， 熱噴涂、激光合金化、滲氮等常用材料耐磨處理技術(shù)并不適用于陶瓷表面的耐磨潤滑處 理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種在陶瓷閥芯表面沉積防護薄膜的方法，利用該方法可以在陶瓷閥 芯表面沉積一層硬度高、摩擦系數(shù)低、具有良好的耐磨耐蝕性和化學(xué)惰性的類金剛石碳 膜涂層的防護薄膜，解決了傳統(tǒng)水龍頭陶瓷閥芯磨損大、壽命短的缺陷，同時還解決了
3合成硬質(zhì)耐磨薄膜過程中，薄膜和陶瓷基體間結(jié)合力差、殘余應(yīng)力高、易剝落、表面粗 糙的問題。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為該在陶瓷閥芯表面沉積防護薄膜的 方法，所采用的鍍膜機包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和兼具公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的工件 托架，工件托架安裝在真空室內(nèi)部，其特征在于包括如下步驟
(1) 、將陶瓷閥芯先在丙酮溶液中進行超聲清洗，再在酒精溶液中進行超聲清洗，干 燥后，懸掛固定于工件托架上，使磁控濺射源與線性離子源環(huán)繞在陶瓷閥芯周圍；
(2) 、在磁控濺射源上安裝由過渡金屬制成的金屬靶，將真空室抽真空至小于2.0X l(T5Torr后，通入惰性氣體，開啟線性離子源，調(diào)整陶瓷阓芯的負偏壓為0 300V，對 陶瓷閥芯進行離子轟擊，工作時間為5 40分鐘后，關(guān)閉線性離子源；
(3) 、對陶瓷閥芯進行第一層薄膜沉積，調(diào)整陶瓷閥芯的負偏壓為-50 -200V，開啟 磁控濺射源電源，調(diào)整磁控濺射源的工作電流為2 3A，通入惰性氣體，工作時間為 10 15分鐘左右；
這時，第一層薄膜為過渡金屬單質(zhì)薄膜層；
(4) 、對陶瓷閥芯進行第二層薄膜沉積，保持步驟(3)中的工作條件不變，立刻啟動 線性離子源，調(diào)整線性離子源的工作電流為O. 1 0.2A;同時通入含碳氣體，工作時間 為10 15分鐘左右；
這時，第二層薄膜為過渡金屬的硬質(zhì)碳化物薄膜層；
(5) 、對陶瓷陶芯進行第三層薄膜沉積，設(shè)置線性離子源的工作電流為O. 1 0.2A， 線性離子源的工作電壓為1000 1300V，調(diào)整陶瓷閥芯的負偏壓為-50 -200V，工作 時間為60 100分鐘。
這時，第三層薄膜為類金剛石碳膜層，類金剛石碳膜(DLC)是一類定義廣泛的非 晶態(tài)多功能碳材料，具有類似金剛石的優(yōu)異性能，尤其是它的高硬度、低摩擦系數(shù)、良 好的耐磨耐蝕性和化學(xué)惰性，使其非常適用于耐磨耐蝕涂層。且DLC膜技術(shù)具有沉積溫 度低、生長面積大、性能可調(diào)、膜表面光滑的優(yōu)點，因此在機械、電子、生物等領(lǐng)域具 有良好應(yīng)用前景。
過渡金屬可以為鉻，也可以為鈦，也可以為鎢。
當(dāng)過渡金屬為時，本發(fā)明陶瓷閥芯表面的薄膜沿垂直方向自里向外依次為Cr過渡 層、CrC層、DLC碳膜涂層結(jié)構(gòu)，最外層為DLC層，即為Cr /CrC/DLC的碳膜多層結(jié) 構(gòu)。
當(dāng)過渡金屬為鈦時，本發(fā)明陶瓷閥芯表面的薄膜沿垂直方向自里向外依次為Ti過 渡層、TiC層、DLC碳膜涂層結(jié)構(gòu)，最外層為DLC層，形成Ti/TiC/DLC的碳膜涂層結(jié) 構(gòu)。鈦具有極好的韌性，TiC薄膜具有良好的耐磨性。
當(dāng)過渡金屬為單質(zhì)鎢時，本發(fā)明陶瓷閥芯表面的薄膜沿垂直方向自里向外依次為W過渡層、WC層、DLC碳膜涂層結(jié)構(gòu)，最外層為DLC層，形成W/WC/DLC的碳膜
涂層結(jié)構(gòu)。
作為改進，所述步驟(4)中通入的含碳氣體為甲烷或乙炔。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于①釆用大面積線性離子源，以含碳氫氣體為 碳源，合成的類金剛石碳膜的膜基結(jié)合力好，摩擦系數(shù)低，硬度高；②選用合適的過渡 層，即第一層薄膜和第二層薄膜，大幅提高了第三層薄膜——類金剛石碳膜涂層和陶瓷 閥芯之間的結(jié)合力；③通過調(diào)控鍍膜過程中的工作條件，限制溫度升高，防止沉積過程 中陶瓷閥芯因過熱退火而發(fā)生性能改變；④被鍍陶瓷閥芯懸掛固定在工件架上，以公一 自轉(zhuǎn)的方式可以實現(xiàn)數(shù)百片閥芯的大面積均勻鍍膜；⑤、通過第三層——類金剛石碳膜 涂層作為陶瓷閥芯的表層，可以極大幅度地提高水龍頭陶瓷閥芯的耐磨密封性能和使用 壽命，節(jié)約用水。


圖1為本發(fā)明實施例一的流程圖。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。 實施例一
本發(fā)明提供了一種在陶瓷閥芯表面沉積防護薄膜的方法，所采用的鍍膜機包括真空 室、磁控濺射源、線性離子源和兼具公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的工件托架，工件托架安裝在真空室內(nèi) 部，其包括如下步驟參見圖1所示
(1) 、將陶瓷閥芯先在丙酮溶液中進行超聲清洗，再在酒精溶液中進行超聲清洗，干 燥后，懸掛固定于工件托架上，使磁控濺射源與線性離子源環(huán)繞在陶瓷閥芯周圍；
(2) 、在磁控濺射源上安裝單質(zhì)鉻靶，將真空室抽真空至1.6Xl(T5Torr后，通入氬 氣，開啟線性離子源，調(diào)整陶瓷閥芯的負偏壓為200V，對陶瓷閥芯進行離子轟擊，工 作時間為40分鐘后，關(guān)閉線性離子源；
(3) 、對陶瓷閥芯進行第一層薄膜沉積，調(diào)整陶瓷閥芯的負偏壓為-200V，開啟磁控 濺射源電源，調(diào)整磁控濺射源的工作電流為3A，通入氬氣，氣體壓強為1.6mTorr,工作 時間為IO分鐘；
(4) 、對陶瓷閥芯進行第二層薄膜沉積，保持步驟(3)中的工作條件不變，立刻啟動 線性離子源，調(diào)整線性離子源的工作電流為0.2A;同時通入乙炔氣體，乙炔氣體氣壓為 0.5mTorr，溫度小于100°C，工作時間為10分鐘；
(5) 、對陶瓷閥芯進行第三層薄膜沉積，設(shè)置線性離子源的工作電流為0.2A，線性
5離子源的工作電壓為1300V，調(diào)整陶瓷閥芯的負偏壓為-200V,工作時間為60分鐘。 碳膜涂層厚度為1.5pm，呈黑色，經(jīng)測定類金剛石碳膜涂層的膜基結(jié)合力達40N以 上，摩擦系數(shù)在O.l以下，在0.05左右，納米壓痕硬度達20GPa以上。沉積碳膜涂層大 面積均勻，裝爐量大，成本低，易于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。
實施例二
與實施例一不同的是，在步驟(2)中，磁控濺射源上安裝的為單質(zhì)鈦靶。 實施例三
與實施例一不同的是，在步驟(2)中，磁控濺射源上安裝的為單質(zhì)鎢靶。
權(quán)利要求
1、一種在陶瓷閥芯表面沉積防護薄膜的方法，所采用的鍍膜機包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和兼具公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的工件托架，工件托架安裝在真空室內(nèi)部，其特征在于包括如下步驟(1)、將陶瓷閥芯先在丙酮溶液中進行超聲清洗，再在酒精溶液中進行超聲清洗，干燥后，懸掛固定于工件托架上，使磁控濺射源與線性離子源環(huán)繞在陶瓷閥芯周圍；(2)、在磁控濺射源上安裝由過渡金屬制成的金屬靶，將真空室抽真空至小于2.0×10-5Torr后，通入惰性氣體，開啟線性離子源，調(diào)整陶瓷閥芯的負偏壓為0～300V，對陶瓷閥芯進行離子轟擊，工作時間為5～40分鐘后，關(guān)閉線性離子源；(3)、對陶瓷閥芯進行第一層薄膜沉積，調(diào)整陶瓷閥芯的負偏壓為-50～-200V，開啟磁控濺射源電源，調(diào)整磁控濺射源的工作電流為2～3A，通入惰性氣體，工作時間為10～15分鐘左右；(4)、對陶瓷閥芯進行第二層薄膜沉積，保持步驟(3)中的工作條件不變，立刻啟動線性離子源，調(diào)整線性離子源的工作電流為0.1～0.2A；同時通入含碳氣源，工作時間為10～15分鐘左右；(5)、對陶瓷閥芯進行第三層薄膜沉積，設(shè)置線性離子源的工作電流為0.1～0.2A，線性離子源的工作電壓為1000～1300V，調(diào)整陶瓷閥芯的負偏壓為-50～-200V，工作時間為60～100分鐘。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在陶瓷閥芯表面沉積防護薄膜的方法，其特征在于所述步驟(2)中過渡金屬為鉻或鈦或鎢。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的在陶瓷閥芯表面沉積防護薄膜的方法，其特征在于所述步驟(4)中通入的含碳氣源為甲烷或乙炔。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在陶瓷閥芯表面沉積防護薄膜的方法，所采用的鍍膜機包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和兼具公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的工件托架，工件托架安裝在真空室內(nèi)部，其特征在于包括如下步驟(1)將陶瓷閥芯在酒精、丙酮溶液中進行超聲清洗，干燥后，懸掛固定于工件托架上，使磁控濺射源與線性離子源環(huán)繞在陶瓷閥芯周圍；(2)在磁控濺射源上安裝由過渡金屬制成的金屬靶，對陶瓷閥芯進行離子轟擊；(3)開啟磁控濺射源電源，對陶瓷閥芯進行第一層薄膜沉積；(4)啟動線性離子源，對陶瓷閥芯進行第二層薄膜沉積；(5)對陶瓷閥芯進行第三層薄膜沉積。本發(fā)明通過對陶瓷閥芯進行三層防護薄膜沉積，可以極大幅度地提高陶瓷閥芯的耐磨密封性能和使用壽命。
文檔編號C23C14/35GK101550539SQ20091009871
公開日2009年10月7日 申請日期2009年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月14日
發(fā)明者偉 代, 吳國松, 孫麗麗, 汪愛英 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所