[发明专利]抗磨与润滑一体化多元掺杂碳基纳米复合薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种抗磨与润滑一体化多元掺杂碳基纳米复合薄膜的制备方法，具体说是采用物理气相沉积技术在金属工件表面获得高硬度和超低摩擦的碳基固体润滑薄膜。

背景技术

类金刚石碳基薄膜是最新发展起来的一种新型固体润滑材料，具有表面光滑、高硬度、低摩擦和长寿命等优点，是接触运动机械部件表面改性的理想薄膜材料。然而，高性能类金刚石碳膜的制备却受困于薄膜内部较大的内应力，其内应力可高达数GPa，这不仅降低了碳膜与基体之间的结合强度，也限制了碳膜的沉积厚度和服役寿命。通过在类金刚石碳膜中掺入一定量的金属元素可以有效降低薄膜中的内应力，从而有效的提高类金刚石碳膜的耐磨寿命。掺杂的金属可以分为两类，一类是能与碳形成强化学键的金属元素即称强碳金属(如：Ti、W、Mo、Si等金属元素)，通过这类金属与碳薄膜的掺杂复合(专利CN101081557A、专利CN101152779A))，形成的高硬度碳化物纳米颗粒弥散分布在非晶碳基质中，虽然能够有效的提高薄膜硬度，但是类金刚石碳膜的脆性随之增加，导致其摩擦系数升高以及耐疲劳磨损寿命降低；另一类就是只能与碳形成弱化学键或不形成化学键的金属元素即称弱碳金属(如Al、Cu、Ag等金属元素)，通过这类金属与碳薄膜的掺杂复合，可显著提高碳膜的韧性，但存在的弊端就是使得类金刚石碳膜的硬度降低，从而导致类金刚石碳膜的磨损增大。

目前还未见通过将强碳金属和弱碳金属相结合实现具有抗磨与固体润滑一体化功效的多元掺杂碳基纳米复合薄膜的相关专利报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种高硬度、低应力、超低摩擦和优异耐磨损的多元金属掺杂碳基纳米复合薄膜的制备方法。

我们通过金属掺杂获得高硬度与高韧性匹配、超低摩擦和超低磨损的碳基复合薄膜是该类薄膜的难点。在碳基薄膜沉积过程中，同时将两类元素在碳膜中进行掺杂复合，优化结合强碳金属和弱碳金属的多元掺杂模式可以有效的互补单元金属掺杂所导致的不足，从而获得同时兼备高硬度、低应力、自润滑与抗磨损一体化特性的多元掺杂碳基纳米复合薄膜。

一种抗磨与润滑一体化多元掺杂碳基纳米复合薄膜的制备方法，其特征在于该方法步骤为：

A、等离子溅射清洗基材，将轴承钢基材置于磁控溅射气相沉积系统中，进行氩等离子体溅射清洗，氩气气体流量为90～100sccm，偏压为-800～-1000V，处理时间为20～30min；

B、磁控溅射沉积Ti或Si粘接层，金属Ti靶或Si靶为阴极，工作气体为氩气，控制电源功率为500～700W，偏压为-500V，处理时间为20～30min；

C、磁控溅射沉积多元掺杂碳基纳米复合薄膜：沉积过程中，真空室的本底真空为5×10^-4Pa，放电气压为0.6Pa，磁控靶采用三靶共溅射系统，其中高纯石墨靶放置在中间，两边分别放置强碳金属靶(Ti、W、Mo或Si)和弱碳金属靶(Al)，石墨靶电流为控制为1～1.2A，金属靶电流控制为0.3～0.5A。底材施加负偏压为-300～-500V，沉积时间120～180min；自然冷却，在轴承钢工件表面获得多元掺杂碳基纳米复合薄膜。

相比于单一金属掺杂的碳基复合薄膜，本发明获得的多元掺杂复合碳基薄膜具有高硬度(硬度高于20GPa)、低的摩擦系数(干摩擦系数0.05-0.08)、超低内应力(低于1GPa)和优异耐磨性(提高4-7倍)。

本发明的抗磨与润滑-体化多元掺杂碳基纳米复合润滑薄膜，所述的多元掺杂是指将强碳金属Ti(W、Mo或Si)和弱碳金属Al共同掺杂复合于非晶碳基质中，从而形成特殊的纳米晶/非晶复合微结构，复合薄膜厚度为2.0～3.0微米。

采用拉曼光谱、X射线光电子能谱仪和高分辨投射电子显微镜(HRTEM)考察了本发明所制备的多元掺杂碳基纳米复合薄膜的成分和显微结构。利用纳米压入测试系统测量薄膜的硬度。利用薄膜应力测试系统分析了薄膜内应力。结果表明：多元掺杂碳基纳米复合薄膜为金属碳化物纳米颗粒(TiC、MoC或WC)和金属纳米颗粒(Al)均匀镶嵌于非晶碳基质中，属于典型的纳米晶/非晶复合微结构；复合薄膜硬度高达20-25GPa；多元掺杂碳基纳米复合薄膜具有超低内应力(低于1GPa)，远远低于单一金属掺杂的碳基复合薄膜(5～10GPa)。