[发明专利]中频磁控辉光放电法制备复合类金刚石涂层的方法

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，属于薄膜材料技术领域。

背景技术

类金刚石(DLC)膜具有低摩擦系数、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。

PVD制备DLC涂层的内应力和附着力问题一直是DLC涂层应用中重点研究的问题。为了降低DLC涂层的内应力，国内外提出了各种各样的解决方案，如梯度涂层、掺杂等，梯度涂层由于制备工艺复杂和制备设备的限制目前使用较少，而掺杂则是目前使用比较广泛的降低DLC涂层内应力的主要方法。DLC的掺杂元素有Si、N、B及过渡金属元素。掺杂DLC具有较低的应力和良好的耐磨和润滑性能。对于普通的类金刚石涂层PVD制备方法而言，涂层的硬度一般在15GPa以下、厚度一般在500纳米以下，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；所制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。

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(小于0.5微米/小时)，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。

为了克服上述电弧法制备类金刚石涂层的缺点，申请人曾向中国国家知识产权局提交了专利申请号为200710053095.3的中国专利申请，该申请公开了一种纳米复合类金刚石涂层制备方法。该方案利用阴极电弧放电过程中通入不同流量的乙炔气体使金属靶前乙炔气体过量，靶面形成金属碳化物层使靶面发生中毒，当电弧运动时从靶面蒸发出金属碳化物，利用碳化物的高熔点特性消除普通阴极电弧放电造成的金属颗粒污染。此外在电弧靶前方配置辅助磁场，利用磁场聚焦作用和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离化产生的碳离子在工件表面形成碳化物掺杂类金刚石涂层，通过调整不同的乙炔流量控制涂层中碳化物晶粒的大小和含量。该方法产生的碳离化率高，涂层的生长速率较高，同时由于碳化物的纳米晶-非晶强化效果，在较低涂层应力的条件下，在保持良好润滑性能的同时还具有较高的硬度，其硬度可达27Gpa。

但从实际应用情况发现，由于电弧放电的能量很高，导致镀膜过程中引起温度升高，一般在100℃以上，在塑料、铝合金和铜合金等熔点较低耐温较差的材料表面用该方法进行类金刚石涂层制备时会对材料造成一定的损伤，限制了其使用场合。此外，由于电弧法制备过程中的高能量和一定的温升导致类金刚石涂层表面粗糙度较高，所涂层的工件表面光洁度不够，工件表面涂层后引起表面光洁度下降，在要求较高的模具和工具上不能满足应用的要求而限制了其使用范围。

发明内容