Pvd與hipims制備超硬dlc涂層方法及設備的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法及設備，采用多層膜復合技術，利用PVD過程與HIPIMS方法，通過陰極與陽極偏壓調(diào)節(jié)和乙炔氣體流量控制，設計一種工業(yè)化的制備類金剛石涂層設備，實現(xiàn)工件表面的超硬度類金剛石涂層設備，并使涂層具有超高硬度，高耐摩擦性能，高耐磨損性能和高自潤滑性能；本發(fā)明涂層工藝簡單，復合涂層條件精確可控，成膜質(zhì)量高，性能穩(wěn)定，廣品成品率局，成本低廉；具有超局硬度和優(yōu)異的自潤滑抗摩擦磨損性能；本發(fā)明涂層設備設置有四套規(guī)?；繉訂卧a(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定可靠、可應用于大批量生產(chǎn)，有利于降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
【專利說明】PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法及設備
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種類金剛石涂層制備技術設備領域，特別涉及PVD與HIPMS制備超 硬DLC涂層方法及設備。
【背景技術】
[0002] 采用表面PVD (物理氣相沉積Physical Vapor Deposition)涂層能大幅度地改 善和提高工件的表面性能，如硬度、耐磨性、抗摩擦性、耐腐蝕性等，提高工件型腔表面抗擦 傷、抗咬合等特殊性能。PVD涂層已經(jīng)成為絕大多數(shù)工件提高壽命和效率不可缺少的手段 并被廣泛應用于各領域，已經(jīng)取得了良好的效果。PVD進行涂層時必須考慮工件材料、熱處 理、被加工材料、成型方式等不同情況，否則會影響涂層性能，造成資源浪費，所以研究各類 鋼工件表面PVD涂層方法與處理工藝顯得尤為重要。
[0003] 常用的PVD沉積方法有多弧離子鍍、過濾陰極弧、磁控濺射、離子束DLC，其中多 弧離子鍍具有薄膜附著力強，繞射性好、膜材廣泛、膜層質(zhì)量好等優(yōu)點；磁控濺射具有成膜 速率快、膜的粘附性好等優(yōu)點，所以多弧離子鍍和磁控濺射是較常用的PVD沉積方法。
[0004] 類金剛石膜涂層（Diamond-like Carbon),簡稱DLC涂層；類金剛石（DLC)薄膜 是一種含有一定量金剛石鍵（sp2和sp3)的非晶碳的亞穩(wěn)類的薄膜。薄膜的主要成分是 碳，因為碳能以三種不同的雜化方式sp3、sp2和spl存在，所以碳可以形成不同晶體的 和無序的結(jié)構。DLC碳膜可以被摻雜不同的元素得到摻雜的DLC(N-DLC)薄膜。它們中的 C都是以sp3、sp2和spl的鍵合方式而存在，因而有諸多與金剛石膜相似的性能。
[0005] 類金剛石（DLC)膜具有許多與金剛石相似或相近的優(yōu)良性能，如硬度高、彈性模 量高、摩擦系數(shù)低、生物相溶性好、聲學性能好、電學性能佳等。DLC薄膜發(fā)展到今天，已經(jīng) 為越來越多的研究者和工業(yè)界所熟知和關注，在工業(yè)各領域都有極大的應用前景。目前DLC 薄膜已經(jīng)在航空航天、精密機械、微電子機械裝置、磁盤存儲器、汽車零部件、光學器材和生 物醫(yī)學等多個領域有廣泛的應用，是具有重要應用前景的高性能的無機非金屬薄膜材料。
[0006] 美國已經(jīng)將類金剛石薄膜材料作為21世紀的戰(zhàn)略材料之一，業(yè)界類金剛石膜的 研究、開發(fā)、制備及應用正向深度和廣度推進，類金剛石制備的方法很多：如離子束輔助沉 積、磁控濺射、真空陰極電弧沉積、等離子體增強化學氣相沉積、離子注入法等；但不同的 制備方法，DLC膜的成分、結(jié)構和性能有很大的差別，現(xiàn)有技術中高功率脈沖磁控濺射靶 (high power impuls magnetron sputter)，簡稱HIPIMS 與 PVD 技術存在的不足是：1、難以 實現(xiàn)大批量、大面積、質(zhì)優(yōu)的DLC膜的實際應用，大多數(shù)沉積設備或裝置屬于實驗室原型設 備，制備成本高；還無法工業(yè)化大批量生產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)化程度低；2、制備的DLC涂層質(zhì)量不穩(wěn)定， 涂層附著力差，膜層厚度極其微薄（1 μ m左右)，無法滿足高運動付，高頻率摩擦的狹窄工 件表面涂層DLC的質(zhì)量要求；3、簡單DLC涂層在硬度、摩擦性能、磨損性能方面兼容性能不 佳。，為了解決這一問題，本發(fā)明采用多層膜復合技術。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007] 為解決上述技術問題，本發(fā)明提供了 PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層方法及設 備，針對現(xiàn)有技術中的缺陷，采用多層膜復合技術，利用PVD過程與HIPMS方法，設計一種 工業(yè)化的制備類金剛石涂層方法與設備，實現(xiàn)工件表面的超硬度類金剛石涂層設備，并使 涂層具有1?附著力，超1?硬度，1?耐摩擦性能，1?耐磨損性能和1?自潤滑性能。
[0008] 為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層設備， 包括設備框架、設備操控屏、涂層單元、中井通道、陽極、涂層室門、直流伺服電機、行星工件 架、衛(wèi)星支架、工件臺、真空腔室、真空接口、冷卻水接口、氣體進口、氣體出口、工件基體、力口 熱器、HIPIMS、非平衡磁控陰極、磁性隔柵、非磁性隔柵、保護罩、永磁體、電磁線圈、高純石 墨靶、直流脈沖器、刻蝕拋面、磁場陣列、陽極電源、陰極電源、偏壓電源、基體電源、刻蝕植 入電源、電氣柜、電源柜、溫度傳感器、真空表，其特征在于： 所述高功率脈沖磁控濺射靶，簡稱為HIPIMS ;所述非平衡磁控陰極（Unbalance magnetron)，簡稱為UBM ;所述PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備，簡稱涂層設備，由設 備框架、涂層單元、控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)組成；所 述設備框架為矩形不銹鋼結(jié)構，由不銹鋼方通焊接構成；所述設備框架上部固定設置有四 個涂層單元，所述涂層單元為八棱柱形密封腔體，由不銹鋼板焊接構成；所述四個涂層單 元通過八棱柱形的一個側(cè)面裝配構成四棱柱形的中井通道，所述四個涂層單元立式并列設 置；所述涂層單元對應于所述設備框架四角方向上設置有涂層室門，以便于裝入或者取出 工件以及設備部件的檢修更換，所述涂層室門與真空腔室通過鉸接方式側(cè)向開合；所述控 制系統(tǒng)包括設備操控屏、電氣柜、電源柜，所述設備框架前方操作臺上設置有設備操控屏， 所述設備操控屏是所述涂層設備的控制中心，配置有控制、調(diào)節(jié)、監(jiān)測的系統(tǒng)軟件，通過觸 摸屏窗口進行集中操控；所述操作臺下方設置有電氣柜，所述設備框架下方設置有電源柜； 所述真空系統(tǒng)包括真空接口、真空閥門、渦輪分子泵、羅茨泵以及旋轉(zhuǎn)式機械泵組成，所述 真空接口與所述中井通道頂部密封固定連接，所述中井通道與所述四個涂層單元的真空腔 室設置有真空閥門，所述真空閥門由控制系統(tǒng)獨立控制，實現(xiàn)涂層單元各個真空腔室的真 空控制與調(diào)節(jié)；所述真空接口由涂層設備后上方引出，并通過真空管道與所述渦輪分子泵、 羅茨泵以及旋轉(zhuǎn)式機械泵連通；所述冷卻系統(tǒng)包括冷卻水接口、冷卻管道、冷水機組，所述 冷卻水接口設置于所述涂層設備的后下方，所述冷卻水接口與所述真空腔室的夾層相通， 并對所述真空腔室起冷卻作用，同時通過冷卻管道為HIPMS和UBM提供冷卻水源，所述冷 卻水接口與所述冷水機組通過管道連接；所述供氣系統(tǒng)包括氣體進口、氣體出口、氣動調(diào)節(jié) 閥門、氣源、流量計。所述氣體進口和氣體出口分別設置在所述涂層單元的底部，為所述真 空腔室提供氣體，所述氣體進口和氣體出口通過氣體管道與所述氣源連通，所述氣體管道 上設置有氣動調(diào)節(jié)閥門和流量計；所述驅(qū)動系統(tǒng)包括直流伺服電機和機械傳動裝置，所述 直流伺服電機通過所述機械傳動裝置與衛(wèi)星工件架機械連接，所述直流伺服電機固定設置 在所述設備框架的二側(cè)，所述涂層單元底部獨立設置有驅(qū)動系統(tǒng)；所述監(jiān)測系統(tǒng)包括溫度 傳感器、真空表、流量計，所述溫度傳感器和真空表設置于所述涂層單元的頂部；所述控制 系統(tǒng)與涂層單元、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)電氣連接，并通過所 述控制系統(tǒng)對所述涂層設備整體運行進行控制與調(diào)節(jié)。
[0009] 所述涂層單元設置有四個，所述涂層單元設置有八棱柱形狀的真空腔室，所述真 空腔室為多層不銹鋼焊接構成，其夾層內(nèi)設置有冷卻水，并與所述冷卻水接口連通；所述真 空腔室的一個側(cè)面上設置有涂層室門，所述真空腔室底部中心設置有衛(wèi)星工件架，所述衛(wèi) 星工件架在所述直流伺服電機驅(qū)動下，圍繞著中軸做旋轉(zhuǎn)運動；所述衛(wèi)星工件架上設置有 底盤，所述底盤為圓形，所述底盤上方沿圓周設置有多個衛(wèi)星支架，所述衛(wèi)星支架與所述底 盤通過衛(wèi)星齒輪轉(zhuǎn)動齒接，所述衛(wèi)星工件架旋轉(zhuǎn)的同時，位于所述底盤上的衛(wèi)星支架同時 做繞行旋轉(zhuǎn)運動；所述衛(wèi)星支架上設置有工件臺，所述工件臺上固定裝配有多個工件基體； 所述工件臺與所述工件基體隨著所述衛(wèi)星支架一起做旋轉(zhuǎn)運行，所述工件基體通過所述衛(wèi) 星支架和衛(wèi)星工件架與所述基體電源電連接，所述基體電源負極與所述工件基體連接，所 述基體電源正極與所述真空腔室連接，所述真空腔室與地線連接；所述衛(wèi)星工件架還與刻 蝕植入電源連接，所述刻蝕植入電源與所述基體電源并聯(lián)與所述衛(wèi)星工件架上。
[0010] 所述真空腔室的頂部中心設置有陽極，所述陽極為圓柱體，所述陽極與陽極電源 電連接，所述陽極電源正極與所述陽極連接，所述陽極電源負極與所述真空腔室電連接；所 述真空腔室側(cè)面上部設置有真空口，所述真空腔室內(nèi)部靠近側(cè)面設置有一個HIPIMS，所述 真空腔室內(nèi)部靠近側(cè)面對稱設置有四個UBM，在所述二個UBM之間的一個側(cè)面上還設置有 一組加熱器，在所述加熱器相對稱的側(cè)面上設置有備用離子源接口；所述UBM與陰極電源 電連接，所述陰極電源負極與所述UBM電連接，所述陰極電源正極與所述真空腔室連接；所 述HIPMS與直流脈沖器和偏壓電源電連接。
[0011] 所述非平衡磁控陰極（UBM)由磁極相互交錯設定的永磁體構成，所述永磁體沿直 線排布，形成磁場陣列，所述磁場陣列外部設置有保護罩，所述磁場陣列外部同心繞制有電 磁線圈，所述UBM前方設置有非磁性隔柵，所述磁場陣列前方設置有高純石墨靶，所述高純 石墨靶與所述磁場陣列之間設置有冷卻水；所述磁場陣列后部設置有驅(qū)動機構，所述驅(qū)動 機構可受控前后移動磁場陣列，從而對高純石墨靶進行電弧刻蝕，并產(chǎn)生等離子體，進而形 成等離子云。
[0012] 所述相鄰UBM中的磁場陣列，其永磁體的排布也是交替方式，這樣一個磁場陣列 中的最外側(cè)永磁體為N極時，相鄰的UBM中的永磁體就是S極，因此在所述互相對稱設置的 四個UBM內(nèi)側(cè)就通過磁力線形成了閉合磁場，整體磁場中的永磁體均按照交替方式排列， 所述產(chǎn)生的閉合磁場將約束所述等離子體，使所述的等離子體始終被約束在所述的閉合磁 場之內(nèi)。
[0013] PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層設備所制備的DLC涂層特性是： 涂層厚度為1微米一6微米； 維氏硬度40GPa - 80GPa ; 對鋼的干式摩擦系數(shù)< 〇. 1 ; 氫含量范圍為7% -11%; 金剛石與石墨波段比D/G > 0. 6。
[0014] 所述高功率脈沖磁控濺射靶（HIPMS)的陰極靶位置設置在兩個非平衡磁控濺陰 極靶之間，不用考慮所述UBM靶的對稱性，比如二個或四個對稱陰極UBM結(jié)構放置1個 HIPMS靶；而六個或八個對稱陰極結(jié)構UBM結(jié)構放置2個HIPMS靶。
[0015] PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層方法，簡稱涂層方法，對應標注號為PS-I至PS-8。
[0016] 1、成形：對工件基體材料進行適當?shù)臋C械加工成形； 2、清洗：水、有機溶劑、酸堿以及超聲處理，干燥； 3、 裝倉：將工件基體裝配到涂層單元中，并密封涂層室門； 4、 起動涂層設備：初始化參數(shù)設置，真空系統(tǒng)起動，冷卻系統(tǒng)起動，驅(qū)動系統(tǒng)起動，加熱 器加熱；（PS-I) 5、 工件預處理：通過備用離子源，對靶材表面進行離子轟擊清洗；（PS-2) 6、 工件基體清洗：通入氬氣，對工件基體表面進行轟擊清洗；（PS-3) 7、 滲透層制備：關閉離子源，啟動HIPMS，使用WC陰極靶，設置偏壓為-1200伏特，濺 射時間為5 -10分鐘；（PS-4) 8、 過渡層A制備：通過HIPMS，使用WC陰極靶，設置偏壓為-75伏特，濺射時間為5- 10分鐘，形成WC過渡層A ; (PS-5) 9、 過渡層B制備：開啟UBM，調(diào)節(jié)磁場陣列，通過高純石墨陰極的離子化，同時繼續(xù)使用 HIPMS進行濺射，形成UBM-HIPUMS共同作用，磁控濺射與物理沉積共同形成WC過渡層B ; (PS-6) 10、 DLC涂層制備：關閉HIPMS，繼續(xù)運行UBM，設置偏壓為-75伏特，控制電流密度為 lOW/cm2 ;控制乙炔氣體流量為3〇SCCm;制得超硬類金剛石涂層；（PS-7) 11、 自潤滑層制備：設置偏壓為-75伏特，電流密度為lOW/cm2 ;控制乙炔流量為 160sccm;制得軟質(zhì)DLC涂層。（PS-8) 12、 關閉涂層設備：關閉UBM，關閉真空系統(tǒng)，關閉供氣系統(tǒng)，關閉加熱器，關閉冷卻系 統(tǒng)，關閉驅(qū)動系統(tǒng)； 13、 出倉：開起涂層室門，將制備好涂層的工件取出真空腔室。
[0017] 一種PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層的結(jié)構是：DLC-1至DLC-6是所述涂層的六 個結(jié)構層，按照所述DLC涂層從涂層表面到工件基體的順序，其結(jié)構依次為：DLC-I表面自 潤滑層；DLC-2超硬DLC涂層；DLC-3過渡層B ;DLC-4過渡層A ;DLC-5滲透層；DLC-6工件 基體；所述工件基體為高速鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷中的任意一種。
[0018] 本發(fā)明的技術特征如下： 1、如上所述涂層設備和涂層方法制備的類金剛石薄膜涂層是在10 _3至KT2Hibar的真 空環(huán)境里，在幾乎不參與反應的氬氣氣氛環(huán)境中，通過HIPMS和UBM，對高純度石墨靶材進 行磁控濺射所沉積形成的。
[0019] 2、為了使DLC類金剛石薄膜涂層的硬度達到維氏硬度40-80 Gpa，參與反應的氣 體，如乙炔，供給到真空腔室內(nèi)的流量范圍為2% - 8% ;氬氣氣體供給流量范圍為92% - 98%。
[0020] 3、所述涂層單元中非平衡磁控陰極設置為偶數(shù)個；所述UBM的數(shù)量范圍為2 -12 個UBM，所述UBM以相對稱的排布方式裝配在所述真空腔室內(nèi)，各個UBM的電源采用獨立可 控制的、功率損耗不到10W/cm2的直流電源，各個UBM設置有獨立的可前后移動的磁場陣列 驅(qū)動機構。
[0021] 4、所述工件基體最大承受溫度為200° C，所述工件基體施加負偏壓，所述負偏 壓的電壓的范圍為負50伏特一負150伏特。
[0022] 5、所述磁場陣列的極化是從每個鄰近陰極交替變化，磁鐵的外環(huán)磁力線，例如N 極是由鄰近S極跑出從而形成所述閉合磁場，因此，所述閉合磁場可抑制放電電流朝向接 地的真空腔室壁流動。
[0023] 6、所述涂層單元中心設置的陽極主要用來導引由非平衡磁控陰極連續(xù)產(chǎn)生的等 離子體朝向真空腔室中心方向流動，這樣旋轉(zhuǎn)的工件就被充分環(huán)繞的等離子體所涂覆，中 心位置的所述陽極施加的偏壓至少可吸引到真空腔室內(nèi)所有UBM所產(chǎn)生的等離子體總和 的 80- 90%。
[0024] 7、所施加在所述陽極上的電壓范圍控制在+50伏特一+100伏特，這樣能夠100%達 到所有UBM電流量的總和。
[0025] 8、所述電磁線圈用來繚繞在非平衡磁控陰極的外圍，所述電磁線圈纏繞的匝數(shù)由 通過單個UBM直流電流的電量確定，工藝標準為在UBM上產(chǎn)生的磁通量達到100高斯；對未 曾使用與侵蝕過的靶材施加電流從零開始，電流的連續(xù)增加用來減少在靶材的刻蝕拋面 內(nèi)的水平磁通量，這樣保證UBM磁通量穩(wěn)定在一個恒定的值，始終類似于未使用過的靶材 表面一樣；通過維持放電電壓在恒電流模式下來控制與調(diào)節(jié)UBM可以實現(xiàn)上述工況。
[0026] 9、由于涂層硬度大于40Gpa的DLC碳基類金剛石涂層都存在較大的內(nèi)應力，這種 內(nèi)應力對于涂層沉積的結(jié)合力產(chǎn)生強有力的挑戰(zhàn)；因此，對于工件涂層前的預處理是必需 的，所述的工件預處理過程中，工件表面將設置有負800伏特一負1200伏特的直流電壓， 用于對離子源進行離化，便于預處理的所述離子源有Cr, Ti, Nb, Ta, W or WC。
[0027] 10、繼第9項所描述，通過利用5〇Psec至150 Psec脈沖波長和脈沖電流密度大于 2A/cm2的高功率脈沖磁控濺射靶（HIPIMS)放電來產(chǎn)生等離子體，所述等離子體對工件表面 刻蝕并植入到所述工件基體表面以下，其植入深度達到25nm的富集表面層。
[0028] 11、由所述工件基體材料與植入的原子所述形成的滲透層，通常會構成一新型的 中間過渡層，當工件基體上的負偏置電壓逐步減少時，沉積速率將逐步增加；所述偏置電壓 與沉積速率這兩者將在中間過渡層達到厚度為〇. 2_2um時終止，當然這個中間過渡層的厚 度取決于最終涂層的總厚度。
[0029] 12、所述高功率脈沖磁控濺射靶（HIPMS)需要一個特殊的陰極，此陰極靶材的 尺寸取決于如下幾個方面：高功率脈沖磁控濺射靶（HIPIMS)的可用總?cè)萘?，脈沖電流密度 超過2A/cm 2，實際應用中，高功率脈沖磁控濺射靶（HIPIMS)陰極靶材大都采用較小的尺 寸。
[0030] 13、當進行高功率脈沖磁控濺射靶（HIPMS)的刻蝕/離子植入工藝時，真空腔室 內(nèi)的UBM靶設置有可調(diào)節(jié)的非磁性鋼隔柵保護起來以防止被污染；另外，高功率脈沖磁控 濺射靶（HIPIMS)靶設置有磁性隔柵以及磁性的鋼保護罩來保護。
[0031] 14、為了達到DLC涂層薄膜的表面摩擦系數(shù)到小于0. 1(干摩擦），所述DLC涂層 的頂層，在幾乎不參與反應的氣體份圍環(huán)境下，沉積有一層碳層，即自潤滑涂層；所述自潤 滑涂層的沉積條件是：乙炔氣體的供給流量占氬氣供給流量的30% - 50% ;所述自潤滑涂層 硬度為15GPa - 20GPa、所述自潤滑涂層摩擦系數(shù)在0. 05- 0. 07,所述自潤滑涂層厚度一般 控制在0.2 -1.0 μ m之間。
[0032] 本發(fā)明工藝過程說明：所述PS-I至PS-8是涂層工藝的8個過程。
[0033] 在這項發(fā)明中，磁控工藝不但用來離化（汽化）材料，還用來產(chǎn)生包含碳離子的等 離子體.像w，Ti等的金屬以及廣泛應用的WC (碳化鎢，硬質(zhì)合金），在一個充混氬氣和乙 炔或者甲烷的混合氣體中被濺射，以便進行碳涂層薄膜沉積，初始選擇（C2H 2和CH4)反應 氣體進行碳沉積會導致靶材大量中毒，且在靶材上的功率耗散主要用來對混合氣體進行離 化。同時靶材的濺射率會大幅縮減，因此，DLC涂層的生長含有碳，金屬元素還含有氫。工 業(yè)化生產(chǎn)的的涂層中的金屬含量范圍平均8%至12%，氫含量為15%和25%之間。雖然實驗 室條件下實現(xiàn)靜態(tài)非移動基材上沉積的碳薄膜的硬度達40 GPa，現(xiàn)有技術中，如果基材是 處于三維的旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，碳薄膜的硬度只能達到15GPa至20 GPa ;如果將基體裝配在間 歇式多陰極的真空室，并安裝在一個旋轉(zhuǎn)的固定架上，碳薄膜的硬度會提高。如果基材是以 三維旋轉(zhuǎn)的方式安裝在多陰極的真空腔室中進行涂層，這樣硬度數(shù)值會進一步提升；在 這種情況下，基材周期性的通過各個靶材，基材被暴露在非均勻等離子體中，緊接著潛入高 密度的等離子體區(qū)域，進而沖入等離子體陰影區(qū)域。另一個缺點是高的氫含量，會降低碳膜 的硬度，進而摩擦系數(shù)也會受到輕微地影響，另外一項很重要的問題是，目前使用的碳基 類金剛石涂層DLC技術的粘附問題，碳基涂層的沉積都面臨相當高的機械內(nèi)應力，因此， 本發(fā)明優(yōu)化了 HIPMS技術來對工件基體表面進行的預處理，從而增強與保障碳基類金剛 薄膜在生成過程中的結(jié)合力問題。
[0034]目前為止現(xiàn)有技術所知道與使用的技術中，本發(fā)明所描述的是一種最新的可以避 免如上所概述的碳基類金剛石涂層缺陷沉積方法，這項技術使碳基類金剛石涂層具備如下 特性：碳基薄膜涂層的維氏硬度40-80GPa，摩擦系數(shù)〈0. 1，氫含量7-11%，D/G>0.6。碳基 類金剛石涂層DLC正因為具有這些超常特性，才被稱為"超硬"碳基碳類金剛石DLC涂層。
[0035] 很顯然，如上所述的單項特性已經(jīng)在現(xiàn)有相關期刊有所報道，然而，截止目前為 止，還沒有哪一種眾所周知的工業(yè)化規(guī)?；繉映练e方法可以使得潛在的用戶可以用一種 工藝配方來制備碳基類金剛石涂層的所有這些特性。
[0036] 如上所描述的涂層是在一個多極濺射靶的涂層設備中沉積的，真空腔的真空度最 高可達到KT 5 mbar以下的范圍內(nèi)；采用的陰極是線性磁控管陰極，某些靶材其表面磁場強 度可達到250-300高斯。
[0037] 所述UBM陰極的磁場是通過在兩個相近靶材表面產(chǎn)生比較強磁場的方式來極化 的；另一方面，兩個相對UBM的磁性極化是在相反的方向，允許磁場磁力線與兩個磁場陣 列相接觸.這種布置只有在小型的真空腔室，例如實驗腔體起作用.但對于大型腔室 (例如配置4個UBM)的大型真空腔室或是6,8個UBM配置的腔室，當應用多靶配置或是偶 數(shù)陰極時將更有利于建立一個密閉的磁場空間，并通過密閉的磁場空間來約束離子體；實 際應用中，多元的UBM配置有可移動的隔柵，不僅是防止特殊情況下多種散亂靶材料相互 污染，而且可以產(chǎn)生氬離子來對還沒有進行涂層的工件進行涂層前的清洗處理。所述中心 位置的陽極是非常必要的，通過設置所述的陽極會在陰極前面形成等離子體云，這些等離 子體云穿透三維旋轉(zhuǎn)的工件被拉向中心陽極，即腔體中心方向；這些三維旋轉(zhuǎn)的工件被長 期受氬離子轟擊的等離子體云所環(huán)繞，有利于所述涂層的制備。
[0038] 所述非平衡磁控陰極，其主體是由適合的銅材機加工而成，冷水通道被放置在線 性磁陣列的內(nèi)與外之間；外圍與陰極同心的一個電磁線圈的配置是用來產(chǎn)生與外磁陣列磁 極平行的磁場，對于由永磁體的典型配置建立的磁場在借助于線圈電磁場而形成閉合回路 的效果會被加強；另外UBM的一個的重要特征是所形成的磁場陣列可以進行前后往復運 動，這一特征也同時彌補由于典型的磁控靶表面的侵蝕引起的磁場強度增加的缺陷。用 來生長超硬DLC的靶材是由高純度的石墨并卡裝在所述UBM陰極體上實現(xiàn)的。磁控濺射過 程是由直流電源10 W/cm2產(chǎn)生濺射，電壓范圍在-500伏特時發(fā)起，濺射電源采用恒流控制， 這樣，通過移動相應磁場陣列使濺射電壓可以保持恒定，工件基體施加負偏壓范圍在-50 伏特到-200伏特主要取決于被鍍基體允許的溫度數(shù)據(jù)。
[0039] 所述陽極效果，當把中心陽極的電壓增加越大，那么流向中心陽極電流與基體的 電流也相應增大；在陽極電壓-50伏特時的特殊濺射配置中，電流流向陰極總數(shù)也可以達 到要求，這意味著，幾乎沒有電流流向的真空腔室壁；當繼續(xù)增加陽極電壓時將進一步的增 加二次電子的形成和工件基體電流被提高到更高的值，甚至增強離子轟擊工件基體到幾 兆 Acm 2。
[0040] 實際的生產(chǎn)經(jīng)驗要求更多的關注于超硬DLC涂層的結(jié)合力問題.如大家所熟知 的：氬離子（磁控濺射刻蝕）不能提供充分的結(jié)合力，這樣的步驟僅能簡單地移除基體表 面的氧化層；顯著的效果已經(jīng)在多離子，如施加加速電壓范圍在-1000伏特到-1200伏特 的范圍內(nèi)的金屬離子Ti, Cr, Nb, W和WC分子與惰性氬(壓力5*10_4到l*10_3mbar)轟擊基 體上取得了理想的效果。
[0041] 如圖5所示，是涂層單元的截面示意圖，每個涂層單元設置了 5個陰極靶，其中一 個HIPMS靶和四個UBM靶，真空腔室加熱后，真空系統(tǒng)才起動，其目的是為了減少脫氣量； 所述5個確定位置的磁控陰極前的可移動隔柵使用氬離子對石墨靶進行幾分鐘的清洗， 即對靶材本身進行清洗，使之免于受大氣的污染；這一步驟執(zhí)行后，緊跟的是氬離子濺射蝕 亥IJ，大約需要10分鐘；高功率脈沖磁控濺射靶（HIPIMS)的預處理是用配備的備用WC靶材 HIPMS陰極在純氬氣中濺射來實現(xiàn)的，同時保持基體偏壓在-1200伏特，時間為6分鐘至 10分鐘；后續(xù)按照階梯式降低工件基體的偏壓，逐漸達到-75伏特，所述HIPMS的蝕刻與 植入工藝逐步轉(zhuǎn)換為薄膜沉積生長工藝，這樣即在工件基體上生成了所述的過渡層A與 過渡層B。進一步隨著涂層的增長，發(fā)生交疊沉積的方式，逐漸減少HIPMS濺射率，同時逐 漸增加 UBM碳靶的濺射率，最終沉積成所希望的超硬DLC涂層，碳膜沉積的最后階段是通 過增加氬氣的流量，間接減少乙炔氣體的流量，然后逐漸降低并控制恒定的乙炔氣體流量， 完成自潤滑涂層的制備，通過控制氬氣與乙炔氣體的流量，獲得所期望的最低摩擦值的涂 層時，結(jié)束整個涂層工序流程。
[0042] 通過上述技術方案，本發(fā)明技術方案的有益效果是：采用多層膜復合技術，利用 PVD過程與HIPMS方法，設計一種工業(yè)化的制備類金剛石涂層方法與設備，實現(xiàn)工件表面 的超硬度類金剛石涂層設備，并使涂層具有超高硬度，高耐摩擦性能，高耐磨損性能和高自 潤滑性能；本發(fā)明涂層工藝簡單，復合涂層條件精確可控，成膜質(zhì)量高，性能穩(wěn)定，產(chǎn)品成品 率高，成本低廉；具有超高硬度和優(yōu)異的自潤滑抗摩擦磨損性能；本發(fā)明涂層設備設置有 四套規(guī)?；繉訂卧?，生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定可靠、可應用于大批量生產(chǎn)，有利于降低生產(chǎn)成本，實 現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0043] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術中的技術方案，下面對實施例或現(xiàn)有 技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā) 明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根 據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0044] 圖1為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備俯視圖示意 圖； 圖2為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備A- A面示意圖； 圖3為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備B- B面示意圖； 圖4為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層設備原理示意圖； 圖5為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備涂層單元示意圖； 圖6為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備非平衡磁控陰極 示意圖； 圖7為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法及設備涂層結(jié)構 示意圖； 圖8為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層方法及設備涂層工藝 流程示意圖； 圖9為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法及設備陽極效果 圖； 圖10為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法及設備維氏硬度 與乙炔流量關系圖； 圖11為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法及設備維氏硬度 與氫含量關系圖； 圖12為本發(fā)明實施例所公開的PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層方法及設備乙炔流量 對拉曼光譜分析圖，其中圖12a,圖12b和圖12c是不同乙炔流量下的位曼位移及特征峰波 段比圖。
[0045] 圖中數(shù)字和字母所表示的相應部件名稱： 1.設備框架 2.設備操控屏 3.涂層單元 4.中井通道 5.陽極 6.涂層室門 7.直流伺服電機 8.行星工件架 9.衛(wèi)星支架 10.工件臺 11.真空腔室 12.真空接口 13.冷卻水接口 14.氣體進口 15.氣體出口 16.工件基體 17.加熱器 18.磁力線 19.閉合磁場 20. HIPMS 21.非平衡磁控陰極22.磁性隔柵 23.非磁性隔柵24.保護罩 25.永磁體 26.電磁線圈 27.高純石墨靶 28.直流脈沖器 29.冷卻水 30.等離子云 31.刻蝕拋面 32.磁場陣列 33.陽極電源34.陰極電源 35.偏壓電源 36.基體電源 37.刻蝕植入電源38.電氣柜 39.電源柜 40.溫度傳感器 41.真空表。
【具體實施方式】
[0046] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0047] 根據(jù)圖1至圖6,本發(fā)明提供了 PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層方法及設備，包括 設備框架1、設備操控屏2、涂層單元3、中井通道4、陽極5、涂層室門6、直流伺服電機7、行 星工件架8、衛(wèi)星支架9、工件臺10、真空腔室11、真空接口 12、冷卻水接口 13、氣體進口 14、 氣體出口 15、工件基體16、加熱器17、磁力線18、閉合磁場19、HIPMS20、非平衡磁控陰極 21、磁性隔柵22、非磁性隔柵23、保護罩24、永磁體25、電磁線圈26、高純石墨靶27、直流脈 沖器28、冷卻水29、等離子云30、刻蝕拋面31、磁場陣列32、陽極電源33、陰極電源34、偏壓 電源35、基體電源36、刻蝕植入電源37、電氣柜38、電源柜39、溫度傳感器40、真空表41。
[0048] 所述PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備，簡稱涂層設備，由設備框架1、涂層單 元3、控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)組成；所述設備框架1 為矩形不銹鋼結(jié)構，由不銹鋼方通焊接構成；所述設備框架1上部固定設置有四個涂層單 元3,所述涂層單元3為八棱柱形密封腔體，由不銹鋼板焊接構成；所述四個涂層單元3通 過八棱柱形的一個側(cè)面裝配構成四棱柱形的中井通道4,所述四個涂層單元3立式并列設 置；所述涂層單元3對應于所述設備框架1四角方向上設置有涂層室門6,以便于裝入或者 取出工件以及設備部件的檢修更換，所述涂層室門6與真空腔室11通過鉸接方式側(cè)向開 合；所述控制系統(tǒng)包括設備操控屏2、電氣柜38、電源柜39,所述設備框架1前方操作臺上 設置有設備操控屏2,所述設備操控屏2是所述涂層設備的控制中心，配置有控制、調(diào)節(jié)、監(jiān) 測的系統(tǒng)軟件，通過觸摸屏窗口進行集中操控；所述操作臺下方設置有電氣柜38,所述設 備框架下方設置有電源柜39 ;所述真空系統(tǒng)包括真空接口 12、真空閥門、渦輪分子泵、羅茨 泵以及旋轉(zhuǎn)式機械泵組成，所述真空接口 12與所述中井通道4頂部密封固定連接，所述中 井通道4與所述四個涂層單元3的真空腔室11設置有真空閥門，所述真空閥門由控制系統(tǒng) 獨立控制，實現(xiàn)涂層單元3各個真空腔室11的真空控制與調(diào)節(jié)；所述真空接口 12由涂層 設備后上方引出，并通過真空管道與所述渦輪分子泵、羅茨泵以及旋轉(zhuǎn)式機械泵連通；所述 冷卻系統(tǒng)包括冷卻水接口 13、冷卻管道、冷水機組，所述冷卻水接口 13設置于所述涂層設 備的后下方，所述冷卻水接口 13與所述真空腔室11的夾層相通，并對所述真空腔室11起 冷卻作用，同時通過冷卻管道為HIPMS20和UBM21提供冷卻水源，所述冷卻水接口 13與所 述冷水機組通過管道連接；所述供氣系統(tǒng)包括氣體進口 14、氣體出口 15、氣動調(diào)節(jié)閥門、氣 源、流量計。所述氣體進口 14和氣體出口 15分別設置在所述涂層單元3的底部，為所述真 空腔室11提供氣體，所述氣體進口 14和氣體出口 15通過氣體管道與所述氣源連通，所述 氣體管道上設置有氣動調(diào)節(jié)閥門和流量計；所述驅(qū)動系統(tǒng)包括直流伺服電機7和機械傳動 裝置，所述直流伺服電機7通過所述機械傳動裝置與衛(wèi)星工件架8機械連接，所述直流伺服 電機7固定設置在所述設備框架1的二側(cè)，所述涂層單元3底部獨立設置有驅(qū)動系統(tǒng)；所述 監(jiān)測系統(tǒng)包括溫度傳感器40、真空表41、流量計，所述溫度傳感器40和真空表41設置于所 述涂層單元3的頂部；所述控制系統(tǒng)與涂層單元3、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、驅(qū)動系 統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)電氣連接，并通過所述控制系統(tǒng)對所述涂層設備整體運行進行控制與調(diào)節(jié)。
[0049] 所述涂層單元3設置有四個，所述涂層單元3設置有八棱柱形狀的真空腔室11，所 述真空腔室11為多層不銹鋼焊接構成，其夾層內(nèi)設置有冷卻水，并與所述冷卻水接口 13連 通；所述真空腔室11的一個側(cè)面上設置有涂層室門6,所述真空腔室11底部中心設置有衛(wèi) 星工件架8,所述衛(wèi)星工件架8在所述直流伺服電機7驅(qū)動下，圍繞著中軸做旋轉(zhuǎn)運動；所 述衛(wèi)星工件架8上設置有底盤，所述底盤為圓形，所述底盤上方沿圓周設置有多個衛(wèi)星支 架9,所述衛(wèi)星支架9與所述底盤通過衛(wèi)星齒輪轉(zhuǎn)動齒接，所述衛(wèi)星工件架8旋轉(zhuǎn)的同時，位 于所述底盤上的衛(wèi)星支架9同時做繞行旋轉(zhuǎn)運動；所述衛(wèi)星支架9上設置有工件臺10,所 述工件臺10上固定裝配有多個工件基體16 ;所述工件臺10與所述工件基體16隨著所述 衛(wèi)星支架9 一起做旋轉(zhuǎn)運行，所述工件基體16通過所述衛(wèi)星支架9和衛(wèi)星工件架8與所述 基體電源36電連接，所述基體電源36負極與所述工件基體16連接，所述基體電源36正極 與所述真空腔室11連接，所述真空腔室11與地線連接；所述衛(wèi)星工件架8還與刻蝕植入電 源37連接，所述刻蝕植入電源37與所述基體電源36并聯(lián)與所述衛(wèi)星工件架8上。
[0050] 所述真空腔室11的頂部中心設置有陽極5,所述陽極5為圓柱體，所述陽極5與 陽極電源33電連接，所述陽極電源33正極與所述陽極5連接，所述陽極電源33負極與所 述真空腔室11電連接；所述真空腔室11側(cè)面上部設置有真空口，所述真空腔室11內(nèi)部靠 近側(cè)面設置有一個HIPMS20,所述真空腔室11內(nèi)部靠近側(cè)面對稱設置有四個UBM21，在所 述二個UBM21之間的一個側(cè)面上還設置有一組加熱器17,在所述加熱器17相對稱的側(cè)面 上設置有備用離子源接口；所述UBM21與陰極電源34電連接，所述陰極電源34負極與所述 UBM21電連接，所述陰極電源34正極與所述真空腔室11連接；所述HIPMS20與直流脈沖 器28和偏壓電源35電連接。
[0051] 所述非平衡磁控陰極21由磁極相互交錯設定的永磁體25構成，所述永磁體25沿 直線排布，形成磁場陣列32,所述磁場陣列32外部設置有保護罩24,所述磁場陣列32外部 同心繞制有電磁線圈26,所述UBM21前方設置有非磁性隔柵23,所述磁場陣列32前方設置 有高純石墨靶27,所述高純石墨靶27與所述磁場陣列32之間設置有冷卻水29 ;所述磁場 陣列32后部設置有驅(qū)動機構，所述驅(qū)動機構可受控前后移動磁場陣列32,從而對高純石墨 靶27進行電弧刻蝕，并產(chǎn)生等離子體，進而形成等離子云30。
[0052] 所述相鄰UBM21中的磁場陣列32,其永磁體25的排布也是交替方式，這樣一個磁 場陣列32中的最外側(cè)永磁體25為N極時，相鄰的UBM21中的永磁體25就是S極，因此在 所述互相對稱設置的四個UBM21內(nèi)側(cè)就通過磁力線18形成了閉合磁場19,整體磁場中的永 磁體25均按照交替方式排列，所述產(chǎn)生的閉合磁場19將約束所述等離子體，使所述的等離 子體始終被約束在所述的閉合磁場19之內(nèi)。
[0053] PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層方法及設備所制備的DLC涂層特性是： 涂層厚度為1微米一6微米； 維氏硬度40GPa - 80GPa ; 對鋼的干式摩擦系數(shù)< 〇. 1 ; 氫含量范圍為7% -11%; 金剛石與石墨波段比D/G > 0. 6。
[0054] PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層方法，簡稱涂層方法，對應標注號為PS-I至PS-8。
[0055] 1、成形：對工件基體16材料進行適當?shù)臋C械加工成形； 2、 清洗：水、有機溶劑、酸堿以及超聲處理，干燥； 3、 裝倉：將工件基體16裝配到涂層單元3中，并密封涂層室門6 ; 4、 起動涂層設備：初始化參數(shù)設置，真空系統(tǒng)起動，冷卻系統(tǒng)起動，驅(qū)動系統(tǒng)起動，加熱 器加熱；（PS-I) 5、 工件預處理：通過備用離子源，對靶材表面進行離子轟擊清洗；（PS-2) 6、 工件基體16清洗：通入氬氣，對工件基體16表面進行轟擊清洗；（PS-3) 7、 滲透層制備：關閉離子源，啟動HIPMS20,使用WC陰極靶，設置偏壓為-1200伏特， 濺射時間為5-10分鐘；（PS-4) 8、 過渡層A制備：通過HIPMS20,使用WC陰極靶，設置偏壓為-75伏特，濺射時間為5- 10分鐘，形成WC過渡層A ; (PS-5) 9、 過渡層B制備：開啟UBM，調(diào)節(jié)磁場陣列32,通過高純石墨靶27陰極的離子化，同時 繼續(xù)使用HIPMS20進行濺射，形成UBM-HIPUMS共同作用，磁控濺射與物理沉積共同形成WC 過渡層B ;(PS-6) 10、 DLC涂層制備：關閉HIPMS20,繼續(xù)運行UBM21，設置偏壓為-75伏特，控制電流密 度為lOW/cm2 ;控制乙炔氣體流量為3〇SCCm;制得超硬類金剛石涂層；（PS-7) 11、 自潤滑層制備：設置偏壓為-75伏特，電流密度為lOW/cm2 ;控制乙炔流量為 160sccm;制得軟質(zhì)DLC涂層。（PS-8) 12、 關閉涂層設備：關閉UBM，關閉真空系統(tǒng)，關閉供氣系統(tǒng)，關閉加熱器，關閉冷卻系 統(tǒng)，關閉驅(qū)動系統(tǒng)； 13、 出倉：開起涂層室門，將制備好涂層的工件取出真空腔室11。
[0056] -種PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層的結(jié)構是：如圖7所示，DLC-I至DLC-6是 所述涂層的六個結(jié)構層，按照所述DLC涂層從涂層表面到工件基體的順序，其結(jié)構依次為： DLC-I表面自潤滑層；DLC-2超硬DLC涂層；DLC-3過渡層B ;DLC-4過渡層A ;DLC-5滲透層； DLC-6工件基體；所述工件基體為高速鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷中的任意一種。
[0057] 本發(fā)明具體特征說明： 供給到真空腔室內(nèi)的乙炔氣體流量范圍為：2% - 8%;氬氣氣體供給流量范圍為92%- 98%。
[0058] 所述涂層單元中非平衡磁控陰極21設置為4個UBM21，所述UBM21以相對稱的 排布方式裝配在所述真空腔室11內(nèi)，各個UBM21的電源采用獨立可控制的、功率損耗不到 10W/cm2的直流電源，各個UBM21設置有獨立的可前后移動的磁場陣列32驅(qū)動機構。
[0059] 所述工件基體16最大承受溫度為200° C，所述工件基體16施加負偏壓，所述負 偏壓的電壓的范圍為負50伏特一負150伏特。
[0060] 所施加在所述陽極5上的電壓范圍控制在+65伏特一+85伏特，這樣能夠100%達 到所有UBM21電流量的總和。
[0061] 所述電磁線圈26用來繚繞在非平衡磁控陰極21的外圍，所述電磁線圈26纏繞的 匝數(shù)由通過單個UBM21直流電流的電量確定，工藝標準為在UBM21上產(chǎn)生的磁通量達到100 高斯。
[0062] 所述的的工件預處理過程中，工件表面將設置有負900伏特一負1000伏特的直流 電壓，用于對離子源進行離化，便于預處理的所述離子源有Cr, Ti, W or WC中的一種；通 過利用SOPsec至120 Psec脈沖波長和脈沖電流密度大于2A/cm2的高功率脈沖磁控濺射 靶20放電來產(chǎn)生等離子體，所述等離子體對工件表面刻蝕并植入到所述工件基體16表面 以下，其植入深度達到25nm的富集表面層。
[0063] 由所述工件基體16材料與植入的原子所述形成的滲透層，通常會構成一新型的 中間過渡層，當工件基體16上的負偏置電壓逐步減少時，沉積速率將逐步增加；所述偏置 電壓與沉積速率這兩者將在中間過渡層達到厚度為〇. 2-2um時終止，當然這個中間過渡層 的厚度取決于最終涂層的總厚度。
[0064] 為了達到DLC涂層薄膜的表面摩擦系數(shù)到小于0. 1(干摩擦），所述DLC涂層的頂 層，在幾乎不參與反應的氣體份圍環(huán)境下，沉積有一層碳層，即自潤滑涂層；所述自潤滑涂 層的沉積條件是：乙炔氣體的供給流量占氬氣供給流量的30% - 50% ;所述自潤滑涂層硬度 為15GPa - 20GPa、所述自潤滑涂層摩擦系數(shù)在0. 05- 0. 07,所述自潤滑涂層厚度一般控制 在 0. 2-1. Ομπι之間。
[0065] 本發(fā)明具體工藝步驟說明：如圖8所示，PS-I至PS-8是涂層工藝的8個過程。
[0066] 在這項發(fā)明中，磁控工藝不但用來離化（汽化）材料，還用來產(chǎn)生包含碳離子的等 離子體.像w，Ti等的金屬以及廣泛應用的WC (碳化合金），在一個充混氬氣和乙炔或者甲 烷的混合氣體中被濺射，以便進行碳涂層薄膜沉積，初始選擇（C2H 2 and CH4)反應氣體進 行碳沉積會導致靶材大量中毒，且在靶材上的功率耗散主要用來對混合氣體進行離化。同 時靶材的濺射率會大幅縮減，因此，DLC涂層的生長含有碳，金屬元素還含有氫。
[0067] 所述非平衡磁控陰極21，其主體是由適合的銅材機加工而成，冷水通道被放置在 線性磁場陣列32的內(nèi)與外之間；外圍與陰極同心的一個電磁線圈26的配置是用來產(chǎn)生與 外磁陣列磁極平行的磁場，對于由永磁體25的典型配置建立的磁場在借助于線圈電磁場 而形成閉合回路的效果會被加強；另外UBM21的一個的重要特征是所形成的磁場陣列32可 以進行前后往復運動，這一特征也同時彌補由于典型的磁控靶表面的侵蝕引起的磁場強 度增加的缺陷。用來生長超硬DLC的靶材是由高純度的石墨并卡裝在所述UBM21陰極體 上實現(xiàn)的。磁控濺射過程是由直流電源10 W/cm2產(chǎn)生濺射，電壓范圍在-500伏特時發(fā)起， 濺射電源采用恒流控制，這樣，通過移動相應磁場陣列32使濺射電壓可以保持恒定，工件 基體16施加負偏壓范圍在-80伏特到-180伏特主要取決于被鍍基體允許的溫度數(shù)據(jù)。 [0068] 所述陽極5效果，當把中心陽極的電壓增加越大，那么流向中心陽極電流與基體 的電流也相應增大；在陽極5電壓-50伏特時的特殊濺射配置中，電流流向陰極總數(shù)也可以 達到要求，這意味著，幾乎沒有電流流向的真空腔室11壁；當繼續(xù)增加陽極5電壓時將進一 步的增加二次電子的形成和工件基體16電流被提高到更高的值，甚至增強離子轟擊工件 基體16到幾兆AcnT 2。
[0069] 實際生產(chǎn)經(jīng)驗要求更多關注于超硬DLC涂層結(jié)合力問題.如大家所熟知的：氬 離子（磁控濺射刻蝕）不能提供充分的結(jié)合力，這樣的步驟僅能簡單地移除基體表面的氧 化層；顯著的效果已經(jīng)在多離子，如施加加速電壓范圍在-1000伏特到-1200伏特的范圍 內(nèi)的金屬離子Ti, Cr, Nb, W和WC分子與惰性氬(壓力5*10_4到l*10_3mbar)轟擊基體上取 得了理想的效果。
[0070] 圖9中，金屬離子是由HIPMS等離子體產(chǎn)生的，因所施加的加速電壓影響到金屬 離子被植入到工件基體16表面下20-26納米深處，這允許以局部上位的方式沉積金屬或 金屬氮化物或金屬碳化物的薄膜，從而在基體工件16表面形成了具有極高的粘附過渡區(qū) 域沉積，而陰極配有石墨的靶材寬度設計為約200_的寬度，高功率脈沖磁控濺射靶陰極 寬度通常要用更小的寬度，例如采用設計寬度為80mm。另外把HIPMS20置于一個400到 500高斯平行磁場分量磁鐵中的話，這樣的HIPMS20陰極利于其發(fā)揮作用，HIPMS20電 源用在這里來提供脈沖值為2kV/4kA電壓，從而使脈沖平均電流密度高達4A/cm 2,這里把 HIPMS20陰極放置于相鄰的兩個非平衡磁控陰極21之間非常有利其功能發(fā)揮。這樣，通過 交替設置永磁體25磁極而產(chǎn)生了閉合磁場19效應，因為HIPMS20陰極操作只有在對工件 基體16進行表面預處理工藝時才用到，因此在關閉HIPMS20陰極進行薄膜的沉積過程工 藝時，可以通過在HIPM20陰極前放置一個磁性鋼制造的陰極隔柵22盡可能的恢復閉合磁 控陰極效應，所有的相應隔柵都需要可靠接地。
[0071] 圖10中，揭示了氣體成分對可獲得的維氏硬HV的影響.圖中工藝實驗中所描述 的真空腔室所提供氬氣的流量為40〇 SCCm，乙炔氣體以很微小的量添加。一個明顯的發(fā)現(xiàn)當 乙炔氣體流量為約3〇SCCm時，所沉積DLC薄膜的硬度可達50Gpa，因此，反應氣體的流量范 圍遠低于氬氣體流量，精確的DLC碳薄膜維氏硬度除最大取決于除了乙炔氣體流量外，也 受陰極數(shù)量，功率耗散以及偏壓的影響。
[0072] 另外一個引人注目的影響特征是關于可以得到最大維氏硬度HV，超硬DLC碳膜 的另個一個特征是擁有〇. 1 - 〇. 12的干摩擦系數(shù)，另外，薄膜生長工藝過程中，當C2H2以 16〇SCCm的量注入時，可以生成表面摩擦系數(shù)為0. 05-0. 08的較軟的DLC碳薄膜，這層較 軟的碳薄膜常用在超硬DLC涂層的表層。
[0073] 圖11中，概述了碳薄膜DLC中來自乙炔分子中的氫H原子含量的影響，SMS分析 揭示了另外一個對碳薄膜維氏HV硬度的最大影響因素，當H原子含量為11%時維氏硬度達 50Gpa，并可清晰看出H含量越低，硬度越低；特別是在H含量為提高時，碳薄膜的維氏硬度 出現(xiàn)急速下跌。
[0074] 圖12顯示了拉曼光譜RAMN分析分別說明了 H含量與乙炔氣體流量對碳薄膜硬 度的影響。在乙炔"零"流量的情況下，這意味著沒有H原子的存在，可以看到一個強大的 D帶對應于石墨結(jié)構，明顯占據(jù)主宰地位；G帶的強度對應于金剛石結(jié)構不太顯著，并且D/ G比為1. 68,為超過1的值；增加乙炔流量到處于更高的維氏硬度HV范圍（3〇SCCm)，可以 看到是G帶的強度明顯增加以及D/G比值低于1即0. 77 ;進一步增加的C2H2流量，有利于 G峰和D/G值的進一步跌至0. 68 ;然而，碳薄膜的維氏硬度HV卻遠遠低于最大的機械測量 值，已經(jīng)證實有硬度達到50GPa的值。
[0075] 圖5所示，是涂層單元的截面示意圖，每個涂層單元設置了 5個陰極靶，其中一個 HIPMS靶和四個UBM靶，真空腔室加熱后，真空系統(tǒng)才起動，其目的是為了減少脫氣量；所 述5個確定位置的磁控陰極前的可移動隔柵使用氬離子對石墨靶進行幾分鐘的清洗，即 對靶材本身進行清洗，使之免于受大氣的污染；這一步驟執(zhí)行后，緊跟的是氬離子濺射蝕 亥IJ，大約需要10分鐘；高功率脈沖磁控濺射靶（HIPIMS)的預處理是用配備的備用WC靶材 HIPMS陰極在純氬氣中濺射來實現(xiàn)的，同時保持基體偏壓在-1200伏特，時間為6分鐘至 10分鐘；后續(xù)按照階梯式降低工件基體的偏壓，逐漸達到-75伏特，所述HIPMS的蝕刻與 植入工藝逐步轉(zhuǎn)換為薄膜沉積生長工藝，這樣即在工件基體上生成了所述的過渡層A與 過渡層B。進一步隨著涂層的增長，發(fā)生交疊沉積的方式，逐漸減少HIPMS濺射率，同時逐 漸增加 UBM碳靶的濺射率，最終沉積成所希望的超硬DLC涂層，碳膜沉積的最后階段是通 過增加氬氣的流量，間接減少乙炔氣體的流量，然后逐漸降低并控制恒定的乙炔氣體流量， 完成自潤滑涂層的制備，通過控制氬氣與乙炔氣體的流量，獲得所期望的最低摩擦值的涂 層時，結(jié)束整個涂層工序流程。
[0076] 通過上述具體實施例，本發(fā)明的有益效果是：采用多層膜復合技術，利用PVD過 程與HIPMS方法，設計一種工業(yè)化的制備類金剛石涂層方法與設備，實現(xiàn)工件表面的超硬 度類金剛石涂層設備，并使涂層具有超高硬度，高耐摩擦性能，高耐磨損性能和高自潤滑性 能；本發(fā)明涂層工藝簡單，復合涂層條件精確可控，成膜質(zhì)量高，性能穩(wěn)定，產(chǎn)品成品率高， 成本低廉；具有超高硬度和優(yōu)異的自潤滑抗摩擦磨損性能；本發(fā)明涂層設備設置有四套規(guī) ?；繉訂卧?，生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定可靠、可應用于大批量生產(chǎn)，有利于降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè) 化。
[0077] 對所公開的實施例的上述說明，使本領域?qū)I(yè)技術人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。 對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的 一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明 將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一 致的最寬的范圍。
【權利要求】
1. PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層設備，其特征在于，包括設備框架、設備操控屏、涂層 單元、中井通道、陽極、涂層室門、直流伺服電機、行星工件架、衛(wèi)星支架、工件臺、真空腔室、 真空接口、冷卻水接口、氣體進口、氣體出口、工件基體、加熱器、HIPIMS、非平衡磁控陰極、 磁性隔柵、非磁性隔柵、保護罩、永磁體、電磁線圈、高純石墨靶、直流脈沖器、刻蝕拋面、磁 場陣列、陽極電源、陰極電源、偏壓電源、基體電源、刻蝕植入電源、電氣柜、電源柜、溫度傳 感器、真空表；所述高功率脈沖磁控濺射靶，簡稱為HIPIMS ;所述非平衡磁控陰極，簡稱為 UBM ;所述PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備，簡稱涂層設備，由設備框架、涂層單元、控 制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)組成；所述設備框架為矩形不 銹鋼結(jié)構，由不銹鋼方通焊接構成；所述設備框架上部固定設置有四個涂層單元，所述涂層 單元為八棱柱形密封腔體，由不銹鋼板焊接構成；所述四個涂層單元通過八棱柱形的一個 側(cè)面裝配構成四棱柱形的中井通道，所述四個涂層單元立式并列設置；所述涂層單元對應 于所述設備框架四角方向上設置有涂層室門，所述涂層室門與真空腔室通過鉸接方式側(cè)向 開合；所述控制系統(tǒng)包括設備操控屏、電氣柜、電源柜，所述設備框架前方操作臺上設置有 設備操控屏，所述操作臺下方設置有電氣柜，所述設備框架下方設置有電源柜；所述真空系 統(tǒng)包括真空接口、真空閥門、渦輪分子泵、羅茨泵以及旋轉(zhuǎn)式機械泵組成，所述真空接口與 所述中井通道頂部密封固定連接，所述中井通道與所述四個涂層單元的真空腔室設置有真 空閥門，所述真空閥門由控制系統(tǒng)獨立控制；所述真空接口由涂層設備后上方引出，并通過 真空管道與所述渦輪分子泵、羅茨泵以及旋轉(zhuǎn)式機械泵連通；所述冷卻系統(tǒng)包括冷卻水接 口、冷卻管道、冷水機組，所述冷卻水接口設置于所述涂層設備的后下方，所述冷卻水接口 與所述真空腔室的夾層相通，所述冷卻水接口與所述冷水機組通過管道連接；所述供氣系 統(tǒng)包括氣體進口、氣體出口、氣動調(diào)節(jié)閥門、氣源、流量計；所述氣體進口和氣體出口分別設 置在所述涂層單元的底部，所述氣體進口和氣體出口通過氣體管道與所述氣源連通，所述 氣體管道上設置有氣動調(diào)節(jié)閥門和流量計；所述驅(qū)動系統(tǒng)包括直流伺服電機和機械傳動裝 置，所述直流伺服電機通過所述機械傳動裝置與衛(wèi)星工件架機械連接，所述直流伺服電機 固定設置在所述設備框架的二側(cè)，所述涂層單元底部獨立設置有驅(qū)動系統(tǒng)；所述監(jiān)測系統(tǒng) 包括溫度傳感器、真空表、流量計，所述溫度傳感器和真空表設置于所述涂層單元的頂部； 所述控制系統(tǒng)與涂層單元、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)電氣連接， 并通過所述控制系統(tǒng)對所述涂層設備整體運行進行控制與調(diào)節(jié)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備，其特征在于，所述涂 層單元設置有四個，所述涂層單元設置有八棱柱形狀的真空腔室，所述真空腔室為多層不 銹鋼焊接構成，其夾層內(nèi)設置有冷卻水，并與所述冷卻水接口連通；所述真空腔室的一個側(cè) 面上設置有涂層室門，所述真空腔室底部中心設置有衛(wèi)星工件架，所述衛(wèi)星工件架上設置 有底盤，所述底盤為圓形，所述底盤上方沿圓周設置有多個衛(wèi)星支架，所述衛(wèi)星支架與所述 底盤通過衛(wèi)星齒輪轉(zhuǎn)動齒接；所述衛(wèi)星支架上設置有工件臺，所述工件臺上固定裝配有多 個工件基體；所述工件基體通過所述衛(wèi)星支架和衛(wèi)星工件架與所述基體電源電連接，所述 基體電源負極與所述工件基體連接，所述基體電源正極與所述真空腔室連接，所述真空腔 室與地線連接；所述衛(wèi)星工件架還與刻蝕植入電源連接，所述刻蝕植入電源與所述基體電 源并聯(lián)與所述衛(wèi)星工件架上。
3. 根據(jù)權利要求1所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備，其特征在于，所述真 空腔室的頂部中心設置有陽極，所述陽極為圓柱體，所述陽極與陽極電源電連接，所述陽極 電源正極與所述陽極連接，所述陽極電源負極與所述真空腔室電連接；所述真空腔室側(cè)面 上部設置有真空口，所述真空腔室內(nèi)部靠近側(cè)面設置有一個HIPMS，所述真空腔室內(nèi)部靠 近側(cè)面對稱設置有四個UBM，在所述二個UBM之間的一個側(cè)面上還設置有一組加熱器，在所 述加熱器相對稱的側(cè)面上設置有備用離子源接口；所述UBM與陰極電源電連接，所述陰極 電源負極與所述UBM電連接，所述陰極電源正極與所述真空腔室連接；所述HIPMS與直流 脈沖器和偏壓電源電連接。
4. 根據(jù)權利要求1所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備，其特征在于，所述非 平衡磁控陰極由磁極相互交錯設定的永磁體構成，所述永磁體沿直線排布，形成磁場陣列， 所述磁場陣列外部設置有保護罩，所述磁場陣列外部同心繞制有電磁線圈，所述UBM前方 設置有非磁性隔柵，所述磁場陣列前方設置有高純石墨靶，所述磁場陣列后部設置有驅(qū)動 機構。
5. 根據(jù)權利要求1所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備，其特征在于，所述相 鄰UBM中的磁場陣列，其永磁體的排布也是交替方式，整體磁場中的永磁體均按照交替方 式排列；所述涂層單元中非平衡磁控陰極設置為偶數(shù)個；所述UBM的數(shù)量范圍為2 -12個 UBM，所述UBM以相對稱的排布方式裝配在所述真空腔室內(nèi)，各個UBM的電源采用獨立可控 制的、功率損耗不到10W/cm2的直流電源，各個UBM設置有獨立的可前后移動的磁場陣列驅(qū) 動機構。
6. 根據(jù)權利要求1所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備，其特征在于，PVD與 HIPIMS制備超硬DLC涂層設備所制備的DLC涂層特性是涂層厚度為1微米一6微米；維氏 硬度40GPa - 80GPa ;對鋼的干式摩擦系數(shù)< 0. 1 ;氫含量范圍為7% -11% ;金剛石與石墨波 段比 D/G > 0· 6。
7. 根據(jù)權利要求1所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層設備，其特征在于，所述高 功率脈沖磁控濺射靶的陰極靶位置設置在兩個非平衡磁控濺陰極靶之間，不用考慮所述 UBM靶的對稱性，二個或四個對稱陰極UBM結(jié)構放置1個HIPMS靶；而六個或八個對稱陰 極結(jié)構UBM結(jié)構放置2個HIPMS靶。 8. PVD與HIPMS制備超硬DLC涂層方法，其特征在于， 8. 1成形：對工件基體材料進行適當?shù)臋C械加工成形； 8. 2清洗：水、有機溶劑、酸堿以及超聲處理，干燥； 8. 3裝倉：將工件基體裝配到涂層單元中，并密封涂層室門； 8. 4起動涂層設備：初始化參數(shù)設置，真空系統(tǒng)起動，冷卻系統(tǒng)起動，驅(qū)動系統(tǒng)起動，力口 熱器加熱； 8. 5工件預處理：通過備用離子源，對靶材表面進行離子轟擊清洗； 8. 6工件基體清洗：通入氬氣，對工件基體表面進行轟擊清洗； 8. 7滲透層制備：關閉離子源，啟動HIPMS，使用WC陰極靶，設置偏壓為-1200伏特，濺 射時間為5 -10分鐘； 8. 8過渡層A制備：通過HIPMS，使用WC陰極祀，設置偏壓為-75伏特，濺射時間為5- 10分鐘，形成WC過渡層A ; 8. 9過渡層B制備：開啟UBM，調(diào)節(jié)磁場陣列，通過高純石墨陰極的離子化，同時繼續(xù)使 用HIPMS進行濺射，形成UBM-HIPUMS共同作用，磁控濺射與物理沉積共同形成WC過渡層 B ； 8. 10 DLC涂層制備：關閉HIPMS，繼續(xù)運行UBM，設置偏壓為-75伏特，控制電流密度 為lOW/cm2 ;控制乙炔氣體流量為3〇SCCm;制得超硬類金剛石涂層； 8. 11自潤滑層制備：設置偏壓為-75伏特，電流密度為lOW/cm2 ;控制乙炔流量為 160sccm ;制得軟質(zhì)DLC涂層； 8. 12關閉涂層設備：關閉UBM，關閉真空系統(tǒng)，關閉供氣系統(tǒng)，關閉加熱器，關閉冷卻 系統(tǒng)，關閉驅(qū)動系統(tǒng)； 8. 13出倉：開起涂層室門，將制備好涂層的工件取出真空腔室。
9. 根據(jù)權利要求8所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法，其特征在于，所述超 硬DLC涂層的結(jié)構有六個結(jié)構層，按照所述DLC涂層從涂層表面到工件基體的順序，其結(jié)構 依次為表面自潤滑層；超硬DLC涂層；過渡層B ;過渡層A ;滲透層；工件基體；所述工件基 體為高速鋼、不銹鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷中的任意一種。
10. 根據(jù)權利要求8所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法，其特征在于，所述超 硬DLC涂層是在10 3至KT2mbar的真空環(huán)境里，在幾乎不參與反應的氬氣氣氛環(huán)境中，通 過HIPMS和UBM，對高純度石墨靶材進行磁控濺射所沉積形成的。
11. 根據(jù)權利要求8所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法，其特征在于，為了 使DLC類金剛石薄膜涂層的硬度達到維氏硬度40-80 Gpa，參與反應的氣體，如乙炔，供給 到真空腔室內(nèi)的流量范圍為2% - 8% ;氬氣氣體供給流量范圍為92% - 98% ;所述自潤滑涂層 的沉積條件是為乙炔氣體的供給流量占氬氣供給流量的30% - 50%，緩慢方式供氣；所述自 潤滑涂層硬度為15GPa - 20GPa、所述自潤滑涂層摩擦系數(shù)在0. 05- 0. 07,所述自潤滑涂層 厚度一般控制在0. 2 - I. 0 μ m之間。
12. 根據(jù)權利要求8所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法，其特征在于，所述工 件基體最大承受溫度為200° C，所述工件基體施加負偏壓，所述負偏壓的電壓的范圍為 負50伏特一負150伏特；所述陽極施加的偏壓至少可吸引到真空腔室內(nèi)所有UBM所產(chǎn)生的 等離子體總和的80- 90% ;所施加在陽極上的電壓范圍控制在+50伏特一+100伏特，這樣 能夠100%達到所有UBM電流量的總和。
13. 根據(jù)權利要求8所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法，其特征在于，所述電 磁線圈用來繚繞在非平衡磁控陰極的外圍，所述電磁線圈纏繞的匝數(shù)由通過單個UBM直流 電流的電量確定，工藝標準為在UBM上產(chǎn)生的磁通量達到100高斯；對未曾使用與侵蝕過的 靶材施加電流從零開始，電流的連續(xù)增加用來減少在靶材的刻蝕拋面內(nèi)的水平磁通量，這 樣保證UBM磁通量穩(wěn)定在一個恒定的值。
14. 根據(jù)權利要求8所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法，其特征在于，所述的 工件預處理過程中，工件表面將設置有負800伏特一負1200伏特的直流電壓，用于對離子 源進行離化，所述預處理的所述離子源有Cr, Ti, Nb, Ta, W or WC;并通過5〇Psec至150 Ksec脈沖波長和脈沖電流密度大于2A/cm2的高功率脈沖磁控濺射靶（HIPMS)放電來產(chǎn)生 等離子體，所述等離子體對工件表面刻蝕并植入到所述工件基體表面以下，其植入深度達 到25nm的富集表面層。
15. 根據(jù)權利要求8所述的PVD與HIPIMS制備超硬DLC涂層方法，其特征在于，當進 行高功率脈沖磁控濺射靶刻蝕/離子植入過程中，制備滲透層工藝時，所述真空腔室內(nèi)UBM 靶設置有可調(diào)節(jié)的非磁性鋼隔柵保護起來以防止被污染；所述高功率脈沖磁控濺射靶設置 有磁性隔柵以及磁性的鋼保護罩來保護。
【文檔編號】C23C14/06GK104213076SQ201410425466
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年8月27日 優(yōu)先權日:2014年8月27日
【發(fā)明者】慕恩慈沃迪 申請人:慕恩慈沃迪