含金屬摻雜的類金剛石厚膜及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含金屬摻雜的類金剛石厚膜，包含基材、結(jié)合層、摻雜層和功能層，所述摻雜層和功能層結(jié)合形成一復合層，所述基材的上表面設(shè)有結(jié)合層，所述結(jié)合層的上表面設(shè)有依次疊加的復合層且所述摻雜層和功能層間隔設(shè)置，所述結(jié)合層與復合層中的摻雜層結(jié)合，所述類金剛石厚膜的厚度大于4μm。本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在：在純DLC膜中摻雜數(shù)層納米級含金屬類金剛石（例如：含鎢類金剛石DLC-W）結(jié)構(gòu)，充分緩解DLC膜本身的內(nèi)應(yīng)力，同時也有效地增加了膜層與基材之間的結(jié)合力，使膜層厚度可超過10μm，并具有100N以上的劃痕結(jié)合力。
【專利說明】含金屬摻雜的類金剛石厚膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有納米結(jié)構(gòu)的含金屬摻雜的類金剛石厚膜，以及其制備方法，屬于新材料【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，各種涂層技術(shù)不斷發(fā)展，為工業(yè)制造及人們的日常生活帶來許多進步和便利。依托涂層技術(shù)，可以使產(chǎn)品或零部件獲得更好的表面性能，從而彌補材料本身所不具有的某些特性。類金剛石膜(Diamond-like Carbon),或簡稱DLC膜,是含有金剛石結(jié)構(gòu)(sp3鍵)和石墨結(jié)構(gòu)(sp2鍵)的亞穩(wěn)非晶態(tài)物質(zhì)。
[0003]由于DLC膜具有高硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)、高熱導率、高電阻率、化學惰性等與金剛石膜相類似的優(yōu)異性能，所以近年來DLC膜一直是薄膜【技術(shù)領(lǐng)域】的研究熱點之一，也因其在摩擦學上具有硬度高、摩擦系數(shù)低的特點，所以被廣泛應(yīng)用于各種工具、零件之中。
[0004]但是，由于DLC膜的內(nèi)應(yīng)力較高，所以它的涂層厚度不高(4微米以下)，并且由于其與基材之間的結(jié)合力較差，很大程度上制約了其應(yīng)用。由于DLC的內(nèi)應(yīng)力較大，厚度為10Mffl的單層的純DLC膜幾乎沒有結(jié)合力，所以沒有任何應(yīng)用價值。
[0005]因此，為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，減小DLC膜的內(nèi)應(yīng)力，增強基材之間的結(jié)合力，迫切需要一種新的膜層制備工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出了一種具有納米結(jié)構(gòu)的含金屬摻雜的類金剛石厚膜及其制備工藝，在純DLC膜中摻雜數(shù)層納米級含鎢類金剛石(DLC-W)結(jié)構(gòu)或相應(yīng)金屬摻雜類金剛石結(jié)構(gòu)，充分緩解DLC膜本身的內(nèi)應(yīng)力，同時也有效地增加了涂層與基材之間的結(jié)合力。
[0007]本發(fā)明的發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):一種含金屬摻雜的類金剛石厚膜，包含基材、結(jié)合層、摻雜層和功能層，所述摻雜層和功能層結(jié)合形成一復合層，所述基材的上表面設(shè)有結(jié)合層，所述結(jié)合層的上表面設(shè)有依次疊加的復合層且所述摻雜層和功能層間隔設(shè)置，所述結(jié)合層與復合層中的摻雜層結(jié)合，所述類金剛石厚膜的厚度大于4Mm。
[0008]優(yōu)選的，所述類金剛石厚膜的厚度大于lOMm，并具有100N以上的劃痕結(jié)合力。
[0009]優(yōu)選的，所述基材為合金鋼、S1、陶瓷中的一種。
[0010]優(yōu)選的，所述結(jié)合層為Cr、T1、N1、Si中的一種，所述結(jié)合層的厚度為20(T300nm。
[0011]優(yōu)選的，所述摻雜層中摻雜的金屬為W、T1、Cr中的一種或多種，所述摻雜層的厚度為80~120nm。
[0012]優(yōu)選的，所述功能層為DLC膜，其厚度為45(T550nm。
[0013]本發(fā)明還揭示了一種含金屬摻雜的類金剛石厚膜的制備方法，包括以下步驟:
SI)將基材固定于真空鍍膜室中，對真空鍍膜室抽氣，使之達到5.0X10_3Pa以上的真空度；
52)通入純度為5N以上的Ar氣，用離子束對所述基材進行離子清洗，Ar氣流量l(T30sccm，工藝壓力1.2 X I (T1~3.0 X KT1Pa,離子束上施加直流電壓800~1600V，電流10(T200mA，清洗時間lOmin，該清洗過程中基材上施加脈沖偏壓150(T2000V，頻率40~60kHz，占空比大于90% ；
53)采用磁控濺射技術(shù)進行結(jié)合層的沉積制備，沉積過程中向鍍膜真空室內(nèi)通入氣流量35~50SCCm的Ar氣，工藝壓力2.0^3.0Pa,磁控濺射陰極上施加直流電流5.0^8.0A,沉積時間2(T30min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓10(Tl20V，頻率4(T60kHz，占空比70^90% ；
54)同時采用離子束技術(shù)和磁控濺射技術(shù)進行摻雜層的沉積制備，沉積過程中向鍍膜真空室內(nèi)通入C2H2氣和Ar氣，C2H2流量2(T25sccm，Ar氣流量8~lOsccm，工藝壓力
2.0 X 10^3.0 X IO-1 Pa;磁控濺射陰極的靶材為所述摻雜層中待摻雜的金屬，其上施加射頻功率45(T550W，離子束上施加直流電壓120(Tl600V，電流12(T220mA，涂層沉積時間l(T20min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓150(T2000V，頻率4(T60kHz，占空比70^90% ；
55)采用離子束技術(shù)進行功能層的沉積制備，沉積過程中通入C2H2氣，流量3(T45sCCm，工藝壓力2.0X KT1~3.0X KT1 Pa，離子束上施加直流電壓1200~1600V，電流12(T220mA,涂層沉積時間6(T80min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓150(T2000V，頻率40~60kHz，占空比70~9 0% ；
56)交替完成以上步驟S4)和S5)直至總厚度達到要求。
[0014]優(yōu)選的，所述功能層的厚度大于所述摻雜層的厚度。
[0015]優(yōu)選的，所述步驟S4)中磁控濺射陰極的靶材為W、T1、Cr中的一種或多種。
[0016]本發(fā)明的有益效果主要體現(xiàn)在:在純DLC膜中摻雜數(shù)層納米級含金屬類金剛石(例如:含鎢類金剛石DLC-W)結(jié)構(gòu)，充分緩解DLC膜本身的內(nèi)應(yīng)力，同時也有效地增加了膜層與基材之間的結(jié)合力，使膜層厚度可超過lOMm，并具有100N以上的劃痕結(jié)合力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1:本發(fā)明含金屬摻雜的類金剛石厚膜的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]以下通過典型實施例，對本發(fā)明進一步說明，但本發(fā)明并不局限于所述實施例。
[0019]如圖1所示，本發(fā)明的含金屬摻雜的類金剛石厚膜，包含基材1、結(jié)合層2、摻雜層3和功能層4，所述摻雜層3和功能層4結(jié)合形成一復合層，所述基材I的上表面設(shè)有結(jié)合層2，所述結(jié)合層2的上表面設(shè)有依次疊加的復合層且所述摻雜層3和功能層4間隔設(shè)置，所述結(jié)合層2與復合層中的摻雜層3結(jié)合?；腎選自合金鋼、S1、陶瓷中的一種，結(jié)合層2為Cr、T1、N1、Si中的一種，所述結(jié)合層2的厚度為20(T300nm。摻雜層3中摻雜的金屬為W、T1、Cr中的一種或多種，所述摻雜層3的厚度為8(Tl20nm。功能層4為DLC膜，其厚度為450~550nm。
[0020]由于金屬有很好的塑形，因此可選作為提高DLC膜的結(jié)合力的摻雜物。摻雜層如果采用其它金屬，如Ti，Cr,由于摻雜層形成TiC或CrC這兩種材料，其本身硬度很高同時脆性也很大，加之它們與DLC之間的結(jié)合欠佳，所以導致最終涂層的結(jié)合力變差，可能會無法正常使用。因此，本發(fā)明中的優(yōu)選實施例一采用W作為摻雜層的摻雜金屬。
[0021]實施例一:
51)將基材固定于真空鍍膜室中，對真空鍍膜室抽氣，使之達到5.0X10_3Pa以上的真空度；
52)通入純度為5N以上的Ar氣，用離子束對所述基材進行離子清洗，Ar氣流量l(T30sccm，工藝壓力1.2 X I (T1~3.0 X KT1Pa,離子束上施加直流電壓800~1600V，電流10(T200mA，清洗時間lOmin，該清洗過程中基材上施加脈沖偏壓150(T2000V，頻率40~60kHz，占空比大于90% ；
53)采用磁控濺射技術(shù)進行結(jié)合層的沉積制備，沉積過程中向鍍膜真空室內(nèi)通入氣流量35~50SCCm的Ar氣，工藝壓力2.0^3.0Pa,磁控濺射陰極上施加直流電流5.0^8.0A,沉積時間2(T30min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓10(Tl20V，頻率4(T60kHz，占空比70^90% ；
54)同時采用離子束技術(shù)和磁控濺射技術(shù)進行摻雜層DLC-W的沉積制備，沉積過程中向鍍膜真空室內(nèi)通入C2H2氣和Ar氣，C2H2流量2(T25sccm，Ar氣流量8~lOsccm，工藝壓力2.0X10^^3.0X10^ Pa ;磁控濺射陰極的靶材為W，其上施加射頻功率45(T550W，離子束上施加直流電壓120(Tl600V，電流12(T220mA，涂層沉積時間l(T20min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓1500~2000V，頻率4(T60kHz，占空比70~90% ；
55)采用離子束技術(shù)進行功能層的沉積制備，沉積過程中通入C2H2氣，流量3(T45sCCm，工藝壓力2.0X KT1~3.0X KT1 Pa，離子束上施加直流電壓1200~1600V，電流12(T220mA,涂層沉積時間6(T80min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓150(T2000V，頻率40~60kHz，占空比70~90% ；
56)交替完成以上步驟S4)和S5)直至總厚度達到要求。
[0022]實施例二:
51)將基材固定于真空鍍膜室中，對真空鍍膜室抽氣，使之達到5.0X10_3Pa以上的真空度；
52)通入純度為5N以上的Ar氣，用離子束對所述基材進行離子清洗，Ar氣流量l(T30sccm，工藝壓力1.2 X I (T1~3.0 X KT1Pa,離子束上施加直流電壓800~1600V，電流10(T200mA，清洗時間lOmin，該清洗過程中基材上施加脈沖偏壓150(T2000V，頻率40~60kHz，占空比大于90% ；
53)采用磁控濺射技術(shù)進行結(jié)合層的沉積制備，沉積過程中向鍍膜真空室內(nèi)通入氣流量35~50SCCm的Ar氣，工藝壓力2.0^ 3.0Pa,磁控濺射陰極上施加直流電流5.0^8.0A,沉積時間2(T30min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓10(Tl20V，頻率4(T60kHz，占空比70^90% ；
54)同時采用離子束技術(shù)和磁控濺射技術(shù)進行摻雜層DLC-Ti的沉積制備，沉積過程中向鍍膜真空室內(nèi)通入C2H2氣和Ar氣，C2H2流量2(T25sccm，Ar氣流量8~lOsccm，工藝壓力2.0X10^^3.0X10^ Pa ;磁控濺射陰極的靶材為Ti，其上施加射頻功率45(T550W，離子束上施加直流電壓120(Tl600V，電流12(T220mA，涂層沉積時間l(T20min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓150(T2000V，頻率4(T60kHz，占空比70~90% ；
55)采用離子束技術(shù)進行功能層的沉積制備，沉積過程中通入C2H2氣，流量3(T45sCCm，工藝壓力2.0X KT1~3.0X KT1 Pa，離子束上施加直流電壓1200~1600V，電流12(T220mA,涂層沉積時間6(T80min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓150(T2000V，頻率40~60kHz，占空比70~90% ；
56)交替完成以上步驟S4)和S5)直至總厚度達到要求。
[0023]實施例三:
51)將基材固定于真空鍍膜室中，對真空鍍膜室抽氣，使之達到5.0X10_3Pa以上的真空度；
52)通入純度為5N以上的Ar氣，用離子束對所述基材進行離子清洗，Ar氣流量l(T30sccm，工藝壓力1.2 X I (T1~3.0 X KT1Pa,離子束上施加直流電壓800~1600V，電流10(T200mA，清洗時間lOmin，該清洗過程中基材上施加脈沖偏壓150(T2000V，頻率40~60kHz，占空比大于90% ；
53)采用磁控濺射技術(shù)進行結(jié)合層的沉積制備，沉積過程中向鍍膜真空室內(nèi)通入氣流量35~50SCCm的Ar氣，工藝壓力2.0^3.0Pa,磁控濺射陰極上施加直流電流5.0^8.0A,沉積時間2(T30min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓10(Tl20V，頻率4(T60kHz，占空比70^90% ；
54)同時采用離子束技術(shù)和磁控濺射技術(shù)進行摻雜層DLC-Cr的沉積制備，沉積過程中向鍍膜真空室內(nèi)通入C2H2氣和Ar氣，C2H2流量2(T25sccm，Ar氣流量8~lOsccm，工藝壓力2.0X10^^3.0X10^ Pa ;磁控濺射陰極的靶材為Cr，其上施加射頻功率45(T550W，離子束上施加直流電壓120(Tl600V，電流12(T220mA，涂層沉積時間l(T20min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓150(T2000V，頻率4(T60kHz，占空比70~90% ；
55)采用離子束技術(shù)進行功能層的沉`積制備，沉積過程中通入C2H2氣，流量3(T45sCCm，工藝壓力2.0X KT1~3.0X KT1 Pa，離子束上施加直流電壓1200~1600V，電流12(T220mA,涂層沉積時間6(T80min，該沉積過程中基材上施加直流脈沖偏壓150(T2000V，頻率40~60kHz，占空比70~90% ；
56)交替完成以上步驟S4)和S5)直至總厚度達到要求。
[0024]為說明本發(fā)明制備的厚膜的特有性能，將以上工藝制得的具有納米結(jié)構(gòu)的含金屬摻雜類金剛石厚膜與普通工藝制得的DLC薄膜的性能參數(shù)進行對比，如表1所示:
【權(quán)利要求】
1.一種含金屬摻雜的類金剛石厚膜，其特征在于:包含基材(I)、結(jié)合層(2)、摻雜層(3)和功能層(4)，所述摻雜層(3)和功能層(4)結(jié)合形成一復合層，所述基材(I)的上表面設(shè)有結(jié)合層(2)，所述結(jié)合層(2)的上表面設(shè)有依次疊加的復合層且所述摻雜層(3)和功能層(4)間隔設(shè)置，所述結(jié)合層(2)與復合層中的摻雜層(3)結(jié)合，所述類金剛石厚膜的厚度大于4Mm。
2.如權(quán)利要求1所述的含金屬摻雜的類金剛石厚膜，其特征在于:所述類金剛石厚膜的厚度大于lOMm，并具有IOON以上的劃痕結(jié)合力。
3.如權(quán)利要求1所述的含金屬摻雜的類金剛石厚膜，其特征在于:所述基材(I)為合金鋼、S1、陶瓷中的一種。
4.如權(quán)利要求1所述的含金屬摻雜的類金剛石厚膜，其特征在于:所述結(jié)合層(2)為Cr、T1、N1、Si中的一種，所述結(jié)合層(2)的厚度為20(T300nm。
5.如權(quán)利要求1所述的含金屬摻雜的類金剛石厚膜，其特征在于:所述摻雜層(3)中摻雜的金屬為W、T1、Cr中的一種或多種，所述摻雜層(3)的厚度為8(Tl20nm。
6.如權(quán)利要求1所述的含金屬摻雜的類金剛石厚膜，其特征在于:所述功能層(4)為DLC膜，其厚度為450~550nm。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項所述的含金屬摻雜的類金剛石厚膜的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 51)將基材(I)固定于真空鍍膜室中，對真空鍍膜室抽氣，使之達到5.0X10_3Pa以上的真空度； 52)通入純度為5N以上的Ar氣 ，用離子束對所述基材(I)進行離子清洗，Ar氣流量l(T30sccm，工藝壓力1.2X KT1~3.0XKT1Pa,離子束上施加直流電壓800~1600V，電流10(T200mA，清洗時間lOmin，該清洗過程中基材(I)上施加脈沖偏壓150(T2000V，頻率40~60kHz，占空比大于90% ； 53)采用磁控濺射技術(shù)進行結(jié)合層(2)的沉積制備，沉積過程中向鍍膜真空室內(nèi)通入氣流量35~50SCCm的Ar氣，工藝壓力2.0^3.0Pa,磁控濺射陰極上施加直流電流5.0^8.0A,沉積時間2(T30min，該沉積過程中基材(I)上施加直流脈沖偏壓10(Tl20V，頻率4(T60kHz，占空比70~90% ； 54)同時采用離子束技術(shù)和磁控濺射技術(shù)進行摻雜層(3)的沉積制備，沉積過程中向鍍膜真空室內(nèi)通入C2H2氣和Ar氣，C2H2流量2(T25sccm，Ar氣流量8~lOsccm，工藝壓力2.0XKT11.0XKT1 Pa ;磁控濺射陰極的靶材為所述摻雜層(3)中待摻雜的金屬，其上施加射頻功率45(T550W，離子束上施加直流電壓120(Tl600V，電流12(T220mA，涂層沉積時間l(T20min，該沉積過程中基材(I)上施加直流脈沖偏壓150(T2000V，頻率4(T60kHz，占空比70^90% ； 55)采用離子束技術(shù)進行功能層(4)的沉積制備，沉積過程中通入C2H2氣，流量3(T45sccm，工藝壓力2.0X KT1~3.0X KT1 Pa，離子束上施加直流電壓1200~1600V，電流12(T220mA，涂層沉積時間6(T80min，該沉積過程中基材(I)上施加直流脈沖偏壓150(T2000V，頻率 40~60kHz，占空比 70~90% ； 56)交替完成以上步驟S4)和S5)直至總厚度達到要求。
8.如權(quán)利要求7所述的含金屬摻雜的類金剛石厚膜的制備方法，其特征在于:所述功能層(4)的厚度大于所述摻雜層(3)的厚度。
9.如權(quán)利要求7所述的含金屬摻雜的類金剛石厚膜的制備方法，其特征在于:所述步驟S4)中磁控濺射 陰極的靶材為W、T1、Cr中的一種或多種。
【文檔編號】C23C14/06GK103510046SQ201310453284
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月29日
【發(fā)明者】錢濤, 趙德民, 樂務(wù)時 申請人:星弧涂層新材料科技（蘇州）股份有限公司