[发明专利]一种非晶碳涂层及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明属于薄膜材料领域，涉及一种非晶碳涂层，及该涂层的制备方法。还涉及将上述非晶碳涂层用于发动机气门挺柱、调整盘修复延寿的应用。

背景技术

固体润滑薄膜通过阻止摩擦副之间的直接接触，可以有效避免摩擦副的粘着磨损和应变疲劳，因而能够显著提高摩擦副材料的摩擦学性能。非晶碳涂层(又称类金刚石薄膜，Diamond-like Carbon，简称DLC)是一种非晶态薄膜，由于具有高硬度和高弹性模量、低摩擦因数、耐磨损以及良好的真空摩擦学特性，很适合用于工作在苛刻条件下的耐磨涂层。自20世纪80年代中期以来，非晶碳涂层材料逐渐成为材料领域研究的热点。研究主要集中在不同方法制备非晶碳涂层技术。DLC的制备技术包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。

研究表明，由于DLC膜是由sp³、sp²、sp¹不同结构碳以及掺入元素构成的非晶结构涂层，膜层内部及表面C结构和H含量变化对其机械性能及摩擦学性能影响显著。DLC膜自身通常具有非常高的内应力(几个GPa)导致其与底材的结合较差，特别是与钢基材之间。基于此，DLC膜的工业应用受到了很大的影响。近年来，PVD制备的DLC涂层的内应力和附着力一直是研究的重点问题之一。许多学者通过添加其它金属或非金属元素以及制备纳米复合涂层、梯度结构涂层、多层结构涂层等涂层的方法来提高涂层的结合强度。梯度涂层主要是通过成分与结构的梯度变化消除涂层与基体之间的宏观界面，从而有效改善涂层与基材之间热膨胀和晶格的差异性，以降低界面与薄膜的内应力。该类涂层结构设计方法已成为目前解决DLC涂层结合强度和应力的最有效手段。为此，我们提出研究一种结构梯度变化的非晶碳涂层，并将其用于汽车发动机气门挺柱、调整盘延寿的结构中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非晶碳涂层；

本发明的另一个目的在于提供上述涂层的制备方法，该方法适合于规模化生产、用于特殊易磨损部件减摩延寿的结构梯度变化非晶碳涂层制备，具有时间短、效率高、成本低的特点。

本发明还涉及使用上述非晶碳涂层用于发动机气门挺柱、调整盘的修复延寿的应用。

为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：

一种非晶碳涂层，其设在零件的基体表面上，例如，设置在零部件的金属表面，该涂层由从内到外包括打底层、中间过渡层和顶层，打底层中包括金属Ti和Cr，中间过渡层包括Ti、Cr和C元素，且为元素含量梯度变化的混和层，实现底层纯金属层到顶层类金刚石涂层的过渡，顶层为包括掺杂有少量金属Ti和Cr的类金刚石涂层；其中，中间过渡层中的Cr元素的含量从底层到表层方向呈逐渐递减的趋势，C元素呈逐渐增加的趋势，而Ti元素的含量基本保持稳定。

在基体与非晶碳涂层之间有一层Ti和Cr作为金属的所述打底层，其中Ti和Cr的原子百分含量分别为5～10％和40～60％，其它为基体，且底层金属与基体元素相互扩散，形成良好的结合层；所述打底层与顶层之间是Ti、Cr和C的混合的中间过渡层，从内到外，其中Cr含量由40～60％递减至20～30％，Ti元素稳定在5～10％，C元素由30～40％递增至60～70％；所述顶层是掺杂少量Ti、Cr元素的非晶碳涂层，掺杂的Ti、Cr原子百分含量均分别为5～10％和5～20％，C元素含量为70～90％。通常，所述涂层的总厚度在1.0～3.0μm的范围。

上述打底层金属的厚度可以为200～500nm，中间过渡层的厚度可以为1000～2000nm，顶层的厚度可以为200～500nm。

本发明的上述技术方案中，底层为纯金属，用于增加涂层与基体材料的结合力，中间过渡层为Ti、Cr和C元素梯度变化的混和层，实现底层纯金属到顶层类金刚石涂层的缓冲，增加涂层的附着力，降低涂层的内应力。顶层为掺杂少量金属的类金刚石涂层，涂层保持了较高的硬度和良好的耐磨和减摩性能。

上述非晶碳涂层的制备工艺是：