[发明专利]一种纳米复合类金刚石涂层制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米复合类金刚石涂层制备方法，属于薄膜材料领域。

背景技术

类金刚石膜是一种主要由sp²键和sp³键组成的混合无序的亚稳态的非晶碳膜，分为含氢非晶碳膜(a-C:H)和无氢非晶碳膜(a-C)。具有低摩擦系数、高硬度、高弹性模量、高耐磨性和热导率，良好的化学稳定性和抗腐蚀能力等一系列独特的性能。80年代以来，一直是全世界研究的热点。DLC制备技术包括CVD(化学气相沉积)和PVD(物理气相沉积)两种，CVD方法如等离子辅助化学沉积(PECVD)、电子回旋共振(ECR-CVD)的处理温度一般在400℃以上，同时涂层中含氢，涂层应力较大，且生长速率较低，对基体材料要求较高。PVD方法如磁控溅射、电弧离子镀则具有处理温度较低，制备工艺灵活多变等特点，适应于各种不同材料的工件，目前取得了越来越广泛的应用，有进一步取代CVD的趋势。

目前类金刚石涂层PVD制备方法中，主要包括磁控溅射和电弧放电。在磁控溅射中，溅射靶材采用石墨靶，利用Ar离子把碳原子从靶材上溅射出来飞到工件上形成类金刚石涂层，由于溅射方法的碳离化率低(小于5％)，导致涂层的硬度一般在HV15GPa以下，同时涂层生长速率较低(小于0.3μm/h)。此外由于溅射能量较低，导致涂层和基体的附着力较差。尽管目前梯度涂层、掺杂等技术被广泛使用，但如果超过厚度500纳米，则由于内应力过大而在短时间内造成涂层剥落，设备的有效镀膜区域很小，镀膜均匀性不能保证，不能大批量工业化生产，涂层成本很高。相对磁控溅射技术而言，电弧放电法的离化率很高(大于90％)，但当使用石墨作为靶材时，由于石墨负的温度系数，导致弧斑在靶面运动时速度很慢，使局部区域的石墨大量喷发，直接飞到工件上成膜，导致涂层中有颗粒较大的石墨，造成颗粒污染。目前为了采用电弧放电法制备无颗粒污染的类金刚石，一般都采用磁过滤的方法，也即是在靶面前设置一个弯管，过滤掉较大的石墨颗粒。弯管的使用使涂层的沉积速率大幅度降低低，设备结构复杂、稳定性差、维修困难，不利于工业化的批量生产。

靶中毒在常规的电弧放电法制备涂层过程中是一个需要尽量避免的问题，由于靶面中毒，从靶面蒸发出的材料大量减少，使涂层的沉积速率大幅度降低。而当其用作制备类金刚石涂层时，由于涂层中仅需要少量的金属碳化物(小于20at.％)，靶面材料蒸发慢的缺点变成优势，同时由于使用乙炔气体作为碳源而不采用石墨作为靶，克服了常规电弧石墨靶时的颗粒污染问题，因此其不需要复杂的过滤设备，导致设备结构简单，容易操作。由于电弧对乙炔气体的高度离化，使涂层的附着力好，硬度较高。

由于类金刚石涂层具有的优越性能，使其在航空航天、机械、生物医学、计算机等领域，具有良好的应用前景，为此靶中毒法由于其技术上的优越性使其不但可以克服颗粒问题，同时又继承普通阴极电弧放电法沉积速率快、离化率高等特点，使涂层的硬度、附着力、均匀性等优于常规的磁控溅射和电弧放电法，在DLC涂层制备中具有良好的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的适合工业化大生产的纳米复合类金刚石涂层制备方法，该方法具有原理先进、涂层设备结构简单、沉积速率快(大于1μm/h)等特点，采用该方法制备的类金刚石涂层具有较高的硬度和良好的润滑性能；可在各类基体材质如硬质合金、高速钢、不锈钢、碳钢、模具钢上进行涂层制备。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是一种纳米复合类金刚石涂层制备方法，放置于真空室中的工件经辉光放电清洗后，利用磁场控制的金属靶电弧放电制备金属过渡层；然后通入乙炔气体，乙炔和金属靶表面发生反应形成金属碳化物，当电弧在靶面运动时，从靶面蒸发出金属碳化物；利用靶表面电弧放电产生的强等离子体离化乙炔气体，产生高度离化的碳离子；在偏压的作用下，从靶面蒸发的金属碳化物和乙炔产生的碳离子在工件表面形成碳化物掺杂纳米复合类金刚石涂层。

上述控制电弧运动的磁场由放置在电弧靶的后面的线圈通电产生，线圈由直流电源供电，在靶面产生强度为30-50高斯的磁场，利用磁场拖动电弧在靶面上运动，提高电弧在靶面燃烧的均匀性和电弧的运动速度。

上述金属靶靶材为Ti靶或者Cr靶，靶的数量为1-2个，靶尺寸为宽度在140-200mm，长度在500-1000mm，乙炔流量范围在300-600sccm；金属靶的电流在120-200安培。