一種超強(qiáng)韌碳基表面防護(hù)涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種碳基涂層及其制備方法，屬于表面防護(hù)技術(shù)及相關(guān)涂層材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)?jié)能減排、環(huán)境保護(hù)等方面的要求，以及不斷提升的高精度、高可靠性和長(zhǎng)壽命等方面的高標(biāo)準(zhǔn)要求，新一代節(jié)能、降耗、低碳型的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、核電機(jī)械密封系統(tǒng)、壓縮機(jī)無(wú)油潤(rùn)滑系統(tǒng)、紡織機(jī)械系統(tǒng)、精密模具、精密傳動(dòng)系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)、機(jī)械制造等行業(yè)領(lǐng)域，無(wú)不體現(xiàn)出對(duì)新型強(qiáng)化與潤(rùn)滑一體化表面防護(hù)技術(shù)的迫切需求。
[0003]基涂層(如類金剛石涂層、非晶碳涂層、類石墨涂層)是一類定義廣泛的無(wú)定形碳材料，主要由含金剛石相的SP3雜化鍵和SP 2鍵的石墨團(tuán)簇的三維交叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成，具有類似于金剛石的許多優(yōu)異特性，如高硬度、低摩擦系數(shù)、高耐磨耐蝕性，寬透光范圍，優(yōu)異生物兼容性等，一直是低摩擦表面技術(shù)領(lǐng)域研宄的熱點(diǎn)之一。然而，碳基涂層存在諸如①韌性低、脆性強(qiáng)以及熱穩(wěn)定性差；?高應(yīng)力和膜基結(jié)合弱；③摩擦學(xué)行為受環(huán)境影響很大等問(wèn)題，仍然是制約該類薄膜壽命和可靠性的關(guān)鍵瓶頸。如何在復(fù)雜多變的環(huán)境條件及特殊工況下發(fā)揮該類薄膜材料的優(yōu)勢(shì)，已成為急需解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種低應(yīng)力、高強(qiáng)韌性、摩擦穩(wěn)定、膜基結(jié)合強(qiáng)，能應(yīng)用于機(jī)械零部件、刀模具等產(chǎn)品表面的碳基防護(hù)涂層。
[0005]本發(fā)明另一個(gè)目的在于提供上述一種碳基防護(hù)涂層的制備方法。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種超強(qiáng)硬碳基表面防護(hù)涂層，該涂層由碳元素、碳化物形成金屬元素、弱碳化物形成金屬元素組成，涂層中，碳化物形成金屬元素的原子百分比含量為5~20%、弱碳化物形成金屬元素的原子百分比含量為5~20%，余量為碳元素；涂層中，碳元素以無(wú)定形碳形式存在，形成碳無(wú)定形網(wǎng)絡(luò)，碳化物形成金屬元素與碳結(jié)合形成碳化物納米顆粒，其粒徑大小為5~10nm，弱碳化物形成金屬元素以金屬態(tài)納米顆粒存在，其粒徑大小為5~10nm ;碳化物納米顆粒和金屬納米顆粒鑲嵌在碳無(wú)定形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，顆粒與顆粒之間由無(wú)定形碳分離，顆粒之間平均間距為10~20nm。
[0007]所述碳化物金屬元素為鈦或鉻或鎢。
[0008]所述弱碳化物形成元素為銅或鈷或鎳。
[0009]本發(fā)明的超強(qiáng)韌碳基涂層的制備，是采用離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜機(jī)進(jìn)行，所述離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜機(jī)由一個(gè)真空室、兩個(gè)磁控濺射源、一個(gè)離子源和能同時(shí)旋轉(zhuǎn)的工件支架組成，工件支架安裝在真空室內(nèi)部，所述兩個(gè)磁控濺射源均能裝載不同的金屬靶材，所述碳基涂層制備的具體步驟如下:
(O離子束刻蝕:將基體置于真空室的工件支架上，真空室抽真空，至真空度5.0X 10 3Pa以下，開(kāi)啟離子源，向離子源通入50~100sccm氬氣，設(shè)置離子源功率0.6-0.8KW，設(shè)置工件支架偏壓500~800V，工作時(shí)間為30分鐘；
(2)沉積超強(qiáng)韌碳基涂層:同時(shí)開(kāi)啟離子源、兩個(gè)磁控濺射源，兩個(gè)磁控濺射源分別裝載不同的、純度大于99.99%的單質(zhì)金屬靶材；同時(shí)向真空室通入氣態(tài)烴和氬氣，控制真空室整體氣壓0.8~2Pa ;設(shè)置離子源功率為0.8-1KW,磁控濺射功率1~2KW ;同時(shí)將基體的偏壓設(shè)置為100~300V，沉積時(shí)間為2~3小時(shí)；
(3)關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室取出基體，在基體表面形成的涂層即為所述超強(qiáng)韌碳基涂層；
其中，步驟(2)所述單質(zhì)金屬靶材為:單質(zhì)鈦靶或單質(zhì)鉻靶或單質(zhì)鎢靶或單質(zhì)銅靶或單質(zhì)鈷靶或單質(zhì)鎳靶；所述氣態(tài)烴為乙炔或甲烷氣體。
[0010]優(yōu)選的所述步驟(2)中，兩個(gè)磁控濺射源分別裝載不同的、純度大于99.99%的單質(zhì)金屬靶材的方式是:一個(gè)磁控濺射源裝載純度大于99.99%的單質(zhì)鈦靶或純度大于99.99%的單質(zhì)鉻靶或純度大于99.99%的單質(zhì)鎢靶，另一個(gè)磁控濺射源裝載純度大于99.99%的單質(zhì)銅靶或純度大于99.99%的單質(zhì)鈷靶或純度大于99.99%的單質(zhì)鎳靶。
[0011]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述氣態(tài)烴與氬氣的體積比例為1~4:9~6，即氣態(tài)烴占通入真空室氣體總體積的10%~40%。
[0012]本發(fā)明的碳基涂層的制備方法還包括如下預(yù)處理步驟:在離子束刻蝕步驟前，利用酒精超聲波清洗基體，然后用去離子水漂洗，再用干燥壓縮空氣吹干。
[0013]本發(fā)明技術(shù)方案所述基體是指待鍍膜的樣品，即本發(fā)明的方法可適用但不限于如:金屬機(jī)械零部件、精密模具、精密傳動(dòng)機(jī)械設(shè)備、軸承、電子產(chǎn)品、裝飾產(chǎn)品及材料的表面防護(hù)。
[0014]現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:在碳基涂層中同時(shí)引入碳化物金屬元素和弱碳化物金屬元素，在提高涂層硬度、降低應(yīng)力的同時(shí)，增強(qiáng)涂層的柔韌性和附著力，改善涂層抗摩擦磨損性能和熱穩(wěn)定性能，使得涂層更適用于更苛刻的應(yīng)用環(huán)境，如機(jī)械零部件、刀模具等產(chǎn)品表面的防護(hù)。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明涂層結(jié)構(gòu)示意圖，其中，五邊形代表金屬納米顆粒1，六邊形代表碳化物納米顆粒2，其余部分為無(wú)定形碳結(jié)構(gòu)區(qū)域3。
[0016]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中所制備的碳基涂層納米壓痕試驗(yàn)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]以下結(jié)合附圖和實(shí)施案例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0018]實(shí)施例1按下列步驟實(shí)現(xiàn)本發(fā)明:
1、復(fù)合鍍膜機(jī)準(zhǔn)備:本實(shí)施選擇采用離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜機(jī)，包括一個(gè)真空室、兩個(gè)磁控濺射源、一個(gè)離子源和同時(shí)能旋轉(zhuǎn)的工件支架，工件支架安裝在真空室內(nèi)部；在兩個(gè)磁控濺射源分別裝載純度為99.99%的鈦靶和純度為99.99%的銅靶；
2、樣品(基體)預(yù)清洗處理:利用酒精超聲波清洗待鍍膜樣品(基體)，然后用去離子水漂洗，用干燥壓縮空氣吹干；
3、在真空室中利用離子束刻蝕清洗樣品表面:將基體置于真空室的工件支架上，將真空室抽真空至5.0X 10_3Pa以下，開(kāi)啟離子源，向離子源通入10sccm氬氣，設(shè)置離子源功率
0.6KW，設(shè)置工件支架偏壓800V，工作時(shí)間為30分鐘；
4、Cu和Ti金屬摻雜超強(qiáng)韌碳基涂層制備:同時(shí)開(kāi)啟離子源、裝備有單質(zhì)鈦靶的磁控濺射、裝備有單質(zhì)銅靶的磁控濺射，同時(shí)向真空室通入乙炔和氬氣(乙炔與氬氣的體積比例為1:9)，乙炔占?xì)怏w總體積的10%，控制整體氣壓IPa ;設(shè)置離子源功率為1KW，磁控濺射功率2KW ;將基體的偏壓設(shè)置為300V，沉積時(shí)間為2小時(shí)；
5、關(guān)閉電源，待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室取出基體，該基體表面形成超強(qiáng)韌碳基涂層。
[0019]所形成的涂層中，碳化物形成金屬元素鈦的原子百分比含量為20%、弱碳化物形成金屬元素銅的原子百分比含量為20%，碳元素的原子百分比含量為60%;涂層中，碳元素以無(wú)定形碳形式存在，形成碳無(wú)定形網(wǎng)絡(luò)，碳化物形成金屬元素與碳結(jié)合形成碳化物納米顆粒，其粒徑大小為5~10nm，弱碳化物形成金屬元素以金屬態(tài)納米顆粒存在，其粒徑大小為5~10nm ;碳化物納米顆粒和金屬納米顆粒鑲嵌在碳無(wú)定形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，顆粒與顆粒之間由無(wú)定形碳分離，顆粒之間平均間距為10nm。
[0020]經(jīng)過(guò)殘余應(yīng)力、劃痕儀測(cè)試、納米壓痕測(cè)試(如圖2所示)，所制備的Ti和Cu摻雜碳基涂層的殘余應(yīng)力為0.3GPa，涂層附著性能優(yōu)異，膜/基臨界載荷達(dá)lOGPa，硬度為30GPa，同時(shí)涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的柔韌性，彈性回復(fù)能力達(dá)50%。
[0021]實(shí)施例2按下列步驟實(shí)現(xiàn)本發(fā)明:
1、復(fù)合鍍膜機(jī)準(zhǔn)備:本實(shí)施選擇采用的離子束復(fù)合磁控濺射鍍膜機(jī)，包括一個(gè)真空室、兩個(gè)磁控濺射源、一個(gè)離子源和同時(shí)能旋轉(zhuǎn)的工件支架，工件支架安裝在真空室內(nèi)部；在兩個(gè)磁控濺射源分別裝載純度為99.99%的鉻靶和純度為99.99%的鈷靶；
2、樣品(基體)預(yù)清洗處理:利用酒精超聲波清洗待鍍膜樣品(基體)，然后用去離子水漂洗，用干燥壓縮空氣吹干；
3、在真空室中利用離子束刻蝕清洗樣品表面:將基體置于真空室的工件支架上，將真空室抽真空至3.0X 10_3Pa，開(kāi)啟離子源，向離子源通入80sccm氬氣，設(shè)置離子源功率
0.6KW，設(shè)置工件支架偏壓700V，工作時(shí)間為30分鐘；
4、鉻和鈷金屬摻雜超強(qiáng)韌碳基涂層制備:同時(shí)開(kāi)啟離子源、裝備有單質(zhì)鉻靶的磁控濺射、裝備有單質(zhì)鈷靶的磁控濺射，同時(shí)向真空室通入甲烷和氬氣(甲烷與氬氣的體積比例為