[发明专利]金属碳化物/类金刚石(MeC/DLC)纳米多层膜材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多层膜材料及其制备方法，特别涉及一种金属碳化物/ 类金刚石(MeC/DLC)多层膜材料及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的进步和生产发展的要求，纳米新材料和表面工程技术 在制造业中得到了广泛的应用。从上世纪八十年代以来，采用气相沉积技 术在工模具、零部件表面制备TiN、TiCN、TiAlN等高硬、耐磨涂层，可 大幅提高其使用性能和寿命，获得了成功的商业应用。但这些单层涂层仍 存在硬度不够高、摩擦系数大(0.4～0.8)等不足之处，在一些应用领域尚不 能满足工模具和零部件工况高要求的需要。

类金刚石膜(Diamond-like Carbon，简写为DLC)是一种含有金刚石结 构的非晶碳膜，由于它具有一系列与金刚石膜相似的优异性能，如较高的 硬度、极低的摩擦系数，良好的导热性、耐磨、耐蚀性，以及可实现低温 大面积沉积，在光学、电子、声学、医学、机械等领域具有广泛的应用前 景，成为近年来研究的热点。目前DLC薄膜的沉积方法主要有离子束、磁 控溅射、电弧离子镀等。用离子源离化碳氢化合物(如甲烷、乙炔气等) 制备的DLC膜，膜层细腻、硬度高，但与基体结合力差、内应力大，膜厚 超过500nm后沉积速率慢，且易剥落。用磁控溅射(石墨源)技术制备的 DLC膜，膜层表面光洁、细腻，沉积速率适中，但膜层硬度偏低。用阴极 电弧离子镀(石墨源)制备的DLC膜，膜层硬度高，沉积速率快，但膜层 表面不够光洁细腻，存在较大颗粒，内应力大，难以在工模具及零部件上 获得应用。这些研究表明，提高DLC膜与基体的结合力，降低膜层内应力， 实现DLC膜的低温、大面积均匀沉积是实现DLC膜商业应用的关键所在。

发明内容

本发明的目的是克服现有DLC膜技术存在的缺点和不足，提供一种 MeC/DLC纳米多层膜材料，该多层膜材料具有较高的显微硬度、低的摩擦 系数、牢固的附着力等性能。

本发明的另一个目的是提供一种MeC/DLC纳米多层膜材料的制备方 法，该方法满足低温及大面积制备的要求，具有生产效率高，成本低等优 点。

本发明是通过以下技术方案实现的：金属碳化物/类金刚石纳米多层膜 材料依次由基材1、过渡层I和纳米多层膜层II构成，过渡层I由金属层2、 金属氮化物层3和金属碳氮化物层4构成，纳米多层膜层II由交替的金属 碳化物层5和类金刚石层6构成。

所述的金属碳化物/类金刚石纳米多层膜材料的基材1为钢铁、钛合金 或硬质合金。

所述的金属碳化物/类金刚石纳米多层膜材料的金属为Ti、Cr、Zr或W。

金属碳化物/类金刚石纳米多层膜材料的制备方法是采用Ti、Cr、Zr 或W靶，在本底真空：5.0×10^-3Pa，温度：150℃，工件架转速：2～10rpm 条件下，依次包括以下步骤：

①离子源轰击清洗基材：炉内压强：0.2～1.0Pa，Ar气流量：150sccm， 离子源：2kw，偏压：50～1000V，时间：30min；

②制备金属层：炉内压强：0.2～0.4Pa，Ar气流量：150sccm，磁控功 率：2.0～10kw，离子源：0.5kw，偏压：50～150V，时间：5～15min；

③制备金属氮化物层：炉内压强：0.3～0.6Pa，Ar气流量：120～150sccm， N₂：40～50sccm，磁控功率：5.0～10kw，离子源：0.5kw，偏压：50～150V， 时间：15～30min；

④制备金属碳氮化物层：炉内压强：0.4～0.8Pa，Ar气流量：100～150 sccm，CH₄或C₂H₂气流量：30～50sccm，N₂：5～30sccm，磁控功率：5.0～6.0 kw，离子源：0.5kw，偏压：50～150V，时间：15～30min；

⑤制备金属碳化物和类金刚石层：炉内压强：0.6～1.0Pa，Ar气流量： 100sccm，CH₄或C₂H₂气流量：50～150sccm，磁控功率：1.0～3.0kw，离 子源：2kw，偏压：50～150V，时间：100～150min。