[发明专利]一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜材料及现代表面工程技术的物理气相沉积技术领域，具体涉及一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜，本发明还涉及该类石墨复合膜的制备方法。

背景技术

典型的新型固体润滑复合膜有MOST、Graphit-ic、WC-DLC-WS2、Dymon-iC和WC/a-C纳米复合膜，特别是环境适应性好的类石墨复合膜有非常广阔的应用前景。Teer公司制备的Graphit-ic类石墨复合膜，通过复合一定含量Cr元素调节类石墨膜的塑韧性，减小内应力，改善复合膜承载能力和耐磨性，已取得了良好的效果。

由于类石墨复合膜的热稳定性较差，复合膜温度超过320℃就已出现明显的氧化，严重制约了类石墨复合膜的在刀具、模具和机械传动的应用。另外，为了提高类石墨复合膜与金属基体的相容性，需要用金属过渡层和梯度涂层进行界面处理，提高类石墨复合膜的基膜结合力，但Cr过渡层为柱状晶，晶界之间存在孔隙，部分孔隙与类石墨复合膜的组织缺陷相连，往往贯穿整个膜层直达基体，这样复合膜本身便不能起到完全隔离基体与腐蚀介质的作用，影响了固体润滑膜的电化学腐蚀性能。

在复合膜中加入微量稀土元素，能提高复合膜的综合性能，特别是热稳定性、抗蚀性和耐磨性，因此稀土改性技术将是新型固体润滑复合膜的一个重要发展方向。如何将稀土元素引入复合膜中是实现稀土改性的一个关键技术。中科院沈阳金属研究所和广东工业大学的研究人员曾在冶炼钛合金靶时加入Ce、Y，制备了Ti/Ce和Ti/Y的钛合金靶，使稀土元素的阴极靶在电弧离子镀的放电过程中，通过等离子体将稀土引入到TiN涂层中，取得了良好的改性效果。但是稀土合金靶材的冶炼成本大，稀土成份相对固定，稀土在合金中的固溶度很低，稀土含量调节范围小，难以达到对非金属润滑膜的涂层改性作用；专利文本《离子镀稀土改性涂层中稀土的加入方法》(申请号：200610123304.2，公开号：CN1966761，公开日：2007.05.23)将稀土卤化物制备成有机稀土添加剂，通过负压吸入离子镀真空室，通过氮基混合气体流量控制调节稀土含量的方法，将稀土元素引入离子镀硬质涂层，也取得了良好的效果。但是由于同时引入了有机溶剂和氯离子，对磁控溅射固体润滑复合膜的性能有严重的负面效果。

发明内容

本发明的目的是提供一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜，解决了现有的非平衡磁控溅射固体润滑复合膜热稳定性和抗电化学腐蚀性差的问题。

本发明的另一目的是提供一种上述非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜的制备方法。

本发明所采用的技术方案是，一种非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜，由依次复合的等离子渗金属层、Cr/RE过渡层、C/Cr-RE梯度层及C/Cr-RE复合层组成，

其中的Cr/RE过渡层按照质量百分比其组成为：RE：0.1％～1％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％；

其中的C/Cr-RE复合层按照质量百分比其组成为：Cr：3％～20％，RE：0.3％～10％，余量为C，各组分的质量百分比之和为100％。

本发明所采用的另一技术方案是，一种制备非平衡磁控溅射稀土类石墨复合膜的方法，其特征在于，按照以下步骤实施，

步骤1：确定稀土类石墨复合膜成分，其中，Cr/RE过渡层按照质量百分比其组成为：RE：0.1％～1％，余量为Cr，各组分的质量百分比之和为100％；C/Cr-RE复合层按照质量百分比其组成为：Cr：3％～20％，RE：0.3％～10％，余量为C，各组分的质量百分比之和为100％；

步骤2：计算高纯铬靶及高纯碳靶上镶嵌的高纯稀土镶块数量，

A＝α*β*γ*S₁/S

n＝S₁/S₂

式中，

A：步骤1中确定的稀土元素RE在Cr/RE过渡层中的含量或稀土元素RE在C/Cr-RE复合层中的含量；

α：稀土元素与碳或铬靶材元素溅射系数之比；

β：稀土元素与碳或铬靶材元素密度之比；

γ：稀土镶块中稀土元素的含量；

S₁：刻蚀区稀土镶块的总面积；

S₂：单个稀土镶块的端面面积；

S：靶材刻蚀区总面积；

n：靶材镶嵌的稀土镶块数量；