CN104928639B - 一种超强韧碳基表面防护涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超强韧碳基表面防护涂层，该涂层是由碳元素、碳化物形成金属元素、弱碳化物形成金属元素组成，涂层中，碳元素以无定形形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离；在制备时，通过在碳基涂层中同时引入碳化物金属元素和弱碳化物金属元素，可在提高涂层硬度、降低应力的同时，增强涂层的柔韧性和附着力，改善涂层抗摩擦磨损性能和热稳定性能，使得涂层更适用于更苛刻的应用环境，实现更佳的表面防护效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳基涂层及其制备方法，属于表面防护技术及相关涂层材料技术领域。
背景技术
随着工业领域对节能减排、环境保护等方面的要求，以及不断提升的高精度、高可靠性和长寿命等方面的高标准要求，新一代节能、降耗、低碳型的汽车发动机、核电机械密封***、压缩机无油润滑***、纺织机械***、精密模具、精密传动***、轴承***、机械制造等行业领域，无不体现出对新型强化与润滑一体化表面防护技术的迫切需求。
基涂层（如类金刚石涂层、非晶碳涂层、类石墨涂层）是一类定义广泛的无定形碳材料，主要由含金刚石相的sp3杂化键和sp2键的石墨团簇的三维交叉网络结构形成，具有类似于金刚石的许多优异特性，如高硬度、低摩擦系数、高耐磨耐蚀性，宽透光范围，优异生物兼容性等，一直是低摩擦表面技术领域研究的热点之一。然而，碳基涂层存在诸如①韧性低、脆性强以及热稳定性差；②高应力和膜基结合弱；③摩擦学行为受环境影响很大等问题，仍然是制约该类薄膜寿命和可靠性的关键瓶颈。如何在复杂多变的环境条件及特殊工况下发挥该类薄膜材料的优势，已成为急需解决的关键技术问题。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术的不足提供一种低应力、高强韧性、摩擦稳定、膜基结合强，能应用于机械零部件、刀模具等产品表面的碳基防护涂层。
本发明另一个目的在于提供上述一种碳基防护涂层的制备方法。
本发明所采用的技术方案为：一种超强硬碳基表面防护涂层，该涂层由碳元素、碳化物形成金属元素、弱碳化物形成金属元素组成，涂层中，碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%、弱碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%，余量为碳元素；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，其粒径大小为5~10nm，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，其粒径大小为5~10nm；碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离，颗粒之间平均间距为10~20nm。
所述碳化物形成金属元素为钛或铬或钨。
所述弱碳化物形成金属元素为铜或钴或镍。
本发明的超强韧碳基涂层的制备，是采用离子束复合磁控溅射镀膜机进行，所述离子束复合磁控溅射镀膜机由一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和能同时旋转的工件支架组成，工件支架安装在真空室内部，所述两个磁控溅射源均能装载不同的金属靶材，所述碳基涂层制备的具体步骤如下：
（1）离子束刻蚀：将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空，至真空度5.0×10-3Pa以下，开启离子源，向离子源通入50~100sccm氩气，设置离子源功率0.6~0.8kW，设置工件支架偏压500~800V，工作时间为30分钟；
（2）沉积超强韧碳基涂层：同时开启离子源、两个磁控溅射源，两个磁控溅射源分别装载不同的、纯度大于99.99%的单质金属靶材；同时向真空室通入气态烃和氩气，控制真空室整体气压0.8~2Pa；设置离子源功率为0.8~1kW，磁控溅射功率1~2kW；同时将基体的偏压设置为100~300V，沉积时间为2~3小时；
（3）关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成的涂层即为所述超强韧碳基涂层；
其中，步骤（2）所述单质金属靶材为：单质钛靶或单质铬靶或单质钨靶或单质铜靶或单质钴靶或单质镍靶；所述气态烃为乙炔或甲烷气体。
优选的所述步骤（2）中，两个磁控溅射源分别装载不同的、纯度大于99.99%的单质金属靶材的方式是：一个磁控溅射源装载纯度大于99.99%的单质钛靶或纯度大于99.99%的单质铬靶或纯度大于99.99%的单质钨靶，另一个磁控溅射源装载纯度大于99.99%的单质铜靶或纯度大于99.99%的单质钴靶或纯度大于99.99%的单质镍靶。
进一步优选的，所述气态烃与氩气的体积比例为1~4：9~6，即气态烃占通入真空室气体总体积的10%~40%。
本发明的碳基涂层的制备方法还包括如下预处理步骤：在离子束刻蚀步骤前，利用酒精超声波清洗基体，然后用去离子水漂洗，再用干燥压缩空气吹干。
本发明技术方案所述基体是指待镀膜的样品，即本发明的方法可适用但不限于如：金属机械零部件、精密模具、精密传动机械设备、轴承、电子产品、装饰产品及材料的表面防护。
现有技术相比，本发明的优点在于：在碳基涂层中同时引入碳化物金属元素和弱碳化物金属元素，在提高涂层硬度、降低应力的同时，增强涂层的柔韧性和附着力，改善涂层抗摩擦磨损性能和热稳定性能，使得涂层更适用于更苛刻的应用环境，如机械零部件、刀模具等产品表面的防护。
附图说明
图1为本发明涂层结构示意图，其中，五边形代表金属纳米颗粒1，六边形代表碳化物纳米颗粒2，其余部分为无定形碳结构区域3。
图2为本发明实施例1中所制备的碳基涂层纳米压痕试验图。
具体实施方式
以下结合附图和实施案例对本发明作进一步详细描述。
实施例1 按下列步骤实现本发明：
1、复合镀膜机准备：本实施选择采用离子束复合磁控溅射镀膜机，包括一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和同时能旋转的工件支架，工件支架安装在真空室内部；在两个磁控溅射源分别装载纯度为99.99%的钛靶和纯度为99.99%的铜靶；
2、样品（基体）预清洗处理：利用酒精超声波清洗待镀膜样品（基体），然后用去离子水漂洗，用干燥压缩空气吹干；
3、在真空室中利用离子束刻蚀清洗样品表面：将基体置于真空室的工件支架上，将真空室抽真空至5.0×10-3Pa以下，开启离子源，向离子源通入100sccm氩气，设置离子源功率0.6kW，设置工件支架偏压800V，工作时间为30分钟；
4、Cu和Ti金属掺杂超强韧碳基涂层制备：同时开启离子源、装备有单质钛靶的磁控溅射、装备有单质铜靶的磁控溅射，同时向真空室通入乙炔和氩气（乙炔与氩气的体积比例为1：9），乙炔占气体总体积的10%，控制整体气压1Pa；设置离子源功率为1kW，磁控溅射功率2kW；将基体的偏压设置为300V，沉积时间为2小时；
5、关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，该基体表面形成超强韧碳基涂层。
所形成的涂层中，碳化物形成金属元素钛的原子百分比含量为20%、弱碳化物形成金属元素铜的原子百分比含量为20%，碳元素的原子百分比含量为60%；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，其粒径大小为5~10nm，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，其粒径大小为5~10nm；碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离，颗粒之间平均间距为10nm。
经过残余应力、划痕仪测试、纳米压痕测试（如图2所示），所制备的Ti和Cu掺杂碳基涂层的残余应力为0.3GPa，涂层附着性能优异，膜/基临界载荷达10GPa，硬度为30GPa，同时涂层表现出优异的柔韧性，弹性回复能力达50%。
实施例2 按下列步骤实现本发明：
1、复合镀膜机准备：本实施选择采用的离子束复合磁控溅射镀膜机，包括一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和同时能旋转的工件支架，工件支架安装在真空室内部；在两个磁控溅射源分别装载纯度为99.99%的铬靶和纯度为99.99%的钴靶；
2、样品（基体）预清洗处理：利用酒精超声波清洗待镀膜样品（基体），然后用去离子水漂洗，用干燥压缩空气吹干；
3、在真空室中利用离子束刻蚀清洗样品表面：将基体置于真空室的工件支架上，将真空室抽真空至3.0×10-3Pa，开启离子源，向离子源通入80sccm氩气，设置离子源功率0.6kW，设置工件支架偏压700V，工作时间为30分钟；
4、铬和钴金属掺杂超强韧碳基涂层制备：同时开启离子源、装备有单质铬靶的磁控溅射、装备有单质钴靶的磁控溅射，同时向真空室通入甲烷和氩气（甲烷与氩气的体积比例为1：9），甲烷占气体总体积的10%，控制整体气压1.5Pa；设置离子源功率为0.8kW，磁控溅射功率1kW；将基体的偏压设置为300V，沉积时间为2.5小时；
5、关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，该基体表面形成超强韧碳基涂层。
所形成的涂层中，碳化物形成金属元素铬的原子百分比含量为10%、弱碳化物形成金属元素钴的原子百分比含量为15%，碳元素的原子百分比含量为75%；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，其粒径大小为5~10nm，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，其粒径大小为5~10nm；碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离，颗粒之间平均间距为15nm。
实施例3 按下列步骤实现本发明：
1、复合镀膜机准备：本实施选择采用的离子束复合磁控溅射镀膜机，包括一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和同时能旋转的工件支架，工件支架安装在真空室内部；在两个磁控溅射源分别装载纯度为99.99%的钨靶和纯度为99.99%镍靶；
2、样品（基体）预清洗处理：利用酒精超声波清洗待镀膜样品（基体），然后用去离子水漂洗，用干燥压缩空气吹干；
3、在真空室中利用离子束刻蚀清洗样品表面：将基体置于真空室的工件支架上，将真空室抽真空至4.0×10-3Pa，开启离子源，向离子源通入50sccm氩气，设置离子源功率0.7kW，设置工件支架偏压600V，工作时间为30分钟；
4、钨和镍金属掺杂超强韧碳基涂层制备：同时开启离子源、装备有单质钨靶的磁控溅射、装备有单质镍靶的磁控溅射，同时向真空室通入乙炔和氩气（乙炔与氩气的体积比例为4：6），乙炔占气体总体积的40%，控制整体气压0.8Pa；设置离子源功率为0.8kW，磁控溅射功率1.5kW；将基体的偏压设置为100V，沉积时间为3小时；
5、关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，该基体表面形成超强韧碳基涂层。
所形成的涂层中，碳化物形成金属元素钨的原子百分比含量为12%、弱碳化物形成金属元素镍的原子百分比含量为5%，碳元素的原子百分比含量为83%；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，其粒径大小为5~10nm，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，其粒径大小为5~10nm；碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离，颗粒之间平均间距为20nm。
实施例4 按下列步骤实现本发明：
1、复合镀膜机准备：本实施选择采用的离子束复合磁控溅射镀膜机，包括一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和同时能旋转的工件支架，工件支架安装在真空室内部；在两个磁控溅射源分别装载纯度为99.99%的钨靶和纯度为99.99%的铜靶；
2、样品（基体）预清洗处理：利用酒精超声波清洗待镀膜样品（基体），然后用去离子水漂洗，用干燥压缩空气吹干；
3、在真空室中利用离子束刻蚀清洗样品表面：将基体置于真空室的工件支架上，将真空室抽真空至3.5×10-3Pa，开启离子源，向离子源通入90sccm氩气，设置离子源功率0.8kW，设置工件支架偏压500V，工作时间为30分钟；
4、钨和铜金属掺杂超强韧碳基涂层制备：同时开启离子源、装备有单质钨靶的磁控溅射、装备有单质铜靶的磁控溅射，同时向真空室通入甲烷和氩气（甲烷与氩气的体积比例为2：8）甲烷占气体总体积的20%，控制整体气压2Pa；设置离子源功率为1kW，磁控溅射功率2kW；将基体的偏压设置为200V，沉积时间为2小时；
5、关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，该基体表面形成超强韧碳基涂层。
所形成的涂层中，碳化物形成金属元素钨的原子百分比含量为5%、弱碳化物形成金属元素铜的原子百分比含量为10%，碳元素的原子百分比含量为85%；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，其粒径大小为5~10nm，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，其粒径大小为5~10nm；碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离，颗粒之间平均间距为18nm。
Claims (2)
1.一种超强韧碳基涂层，其特征在于：该涂层由碳元素、碳化物形成金属元素、弱碳化物形成金属元素组成，涂层中，碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%、弱碳化物形成金属元素的原子百分比含量为5~20%，余量为碳元素；涂层中，碳元素以无定形碳形式存在，形成碳无定形网络，碳化物形成金属元素与碳结合形成碳化物纳米颗粒，其粒径大小为5~10nm，弱碳化物形成金属元素以金属态纳米颗粒存在，其粒径大小为5~10nm；碳化物纳米颗粒和金属纳米颗粒镶嵌在碳无定形网络结构中，颗粒与颗粒之间由无定形碳分离，颗粒之间平均间距为10~20nm；所述碳化物形成金属元素为钛或铬或钨；所述弱碳化物形成金属元素为铜或钴或镍；
所述的超强韧碳基涂层的制备，采用离子束复合磁控溅射镀膜机进行，所述离子束复合磁控溅射镀膜机由一个真空室、两个磁控溅射源、一个离子源和能同时旋转的工件支架组成，工件支架安装在真空室内部，所述两个磁控溅射源均能装载不同的金属靶材，所述碳基涂层制备的具体步骤如下：
（1）离子束刻蚀：将基体置于真空室的工件支架上，真空室抽真空至真空度5.0×10-3Pa以下，开启离子源，向离子源通入50~100sccm氩气，设置离子源功率0.6~0.8kW，设置工件支架偏压500~800V，工作时间为30分钟；
（2）沉积超强韧碳基涂层：同时开启离子源、两个磁控溅射源，两个磁控溅射源分别装载不同的、纯度大于99.99%的单质金属靶材；同时向真空室通入气态烃和氩气，控制真空室整体气压0.8~2Pa；设置离子源功率为0.8~1kW，磁控溅射功率1~2kW；将基体的偏压设置为100~300V，沉积时间为2~3小时；
（3）关闭电源，待真空室温度降至室温，打开真空室取出基体，在基体表面形成的涂层即为所述超强韧碳基涂层；
其中，步骤（2）所述单质金属靶材为：单质钛靶或单质铬靶或单质钨靶或单质铜靶或单质钴靶或单质镍靶；所述气态烃为乙炔或甲烷气体；
所述步骤（2）中，两个磁控溅射源分别装载不同的、纯度大于99.99%的单质金属靶材的方式是：一个磁控溅射源装载纯度大于99.99%的单质钛靶或纯度大于99.99%的单质铬靶或纯度大于99.99%的单质钨靶，另一个磁控溅射源装载纯度大于99.99%的单质铜靶或纯度大于99.99%的单质钴靶或纯度大于99.99%的单质镍靶；所述气态烃与氩气的体积比例为1~4：9~6。
2.根据权利要求1所述超强韧碳基涂层，其特征在于：其制备方法还包括如下预处理步骤：在离子束刻蚀步骤前，利用酒精超声波清洗基体，然后用去离子水漂洗，再用干燥压缩空气吹干。
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