[发明专利]一种类金刚石镀膜工件表面预处理工艺

说明书

技术领域

本发明涉及镀膜领域，具体地说是一种类金刚石涂层真空镀膜过程中提高涂层与基体结合力的表面预处理工艺。

背景技术

涂层和基体结合力问题是镀膜工程领域面临的共性问题，也是决定一种涂层能否得到推广的最关键性因素。类金刚石涂层(Diamond Like Carbon-DLC)作为一种新型的功能涂层，对于提高其结合力的方法上，主要包括以下几个方面：

(1)表面预处理

工件在镀DLC涂层前的表面预处理是非常重要的，它直接决定涂层和基体的最终结合强度。在镀膜之前，工件表面如果没有清洗彻底，即存在较厚的氧化皮或者其他污渍，在镀膜过程中会存在以下几种情况：

1、污渍会在电场的作用下变成等离子态，污染整个罐体。这样会造成DLC涂层成分不纯，影响涂层本身的性能参数，如硬度、摩擦系数、表面能等；

2、污渍和氧化皮导电性能都相对比较差，当在工件上加载负偏压时，由于电子不能顺利从工件逸出，会在污渍或氧化皮上积累，一旦电荷积累到一定程度就会以电弧的形式释放，这样会造成工件表面形成“电弧斑”，甚至有可能造成工件报废；

3、在预处理时污渍和氧化皮没有清洗彻底的情况下进行离子束清洗，多数情况下难以将大块的污渍和较厚的氧化皮去除，由于污渍和氧化皮和基体的结合力通常是很差的，这样的镀膜结合力是难以达到要求的。

(2)过渡层的引入

在DLC镀膜过程中，由于涂层材料和基体材料热膨胀系数、晶体结构共格匹配性的差异，有可能会造成DLC的剥落。解决的方法通常是加入一层或多层的中间层改善它们的润湿性，缓解化学键、热膨胀系数等性能的差别，从而可以明显增强DLC和基体之间的结合力。

目前比较通用的几种过渡层气体为SiH₄，一甲基硅烷MS，二甲基硅烷2MS，三甲基硅烷TMS。形成Si、Si-C、Si-C-O(N)的过渡层，显著提高了膜基结合力。有研究表明，过渡层使用Si的依据为：Si和基体Fe之间极容易形成FeSi的化学键，Si和DLC中的C元素可以形成SiC的化合物，从而增强了基体和DLC涂层之间的结合力。

(3)等离子渗氮/等离子注入

等离子渗氮是在镀膜的过程中，使用高能量密度的氮等离子体轰击工件表面，形成薄薄的一层氮化层，厚度通常只有几个微米，由于渗氮层是扩散至金属内部，这样经过等离子渗氮后的工件表面再镀上DLC膜，可以显著提高DLC和基体的结合力。等离子渗氮可以通过金属网罩装置或者等离子增强装置实现。

等离子体注入(Plasma Implantation)技术是提高DLC涂层结合力最有效地方法之一，和离子沉积(Plasma Deposition)技术不同的是，C、H原子在高压下渗入基材内部与基材原子相互扩散且发生化学反应，界面实现了冶金结合。其结合强度是机械结合强度的10倍以上。等离子体注入对电源的要求非常高，工件表面需要获得10～30KV的脉冲负偏压才能实现注入这一过程，其注入层的深度一般为3～10μm。

发明内容

本发明的目的提供一种在类金刚石涂层镀膜前金属工件表面预处理的工艺。

本发明解决技术问题采用如下方案：

一种类金刚石镀膜工件表面预处理工艺，该工艺具体步骤如下：

(1)白刚玉+棕刚玉混合干式喷砂

白刚玉+棕刚玉混合干式喷砂中白刚玉和棕刚玉的粒径均为120目，白刚玉与棕刚玉质量比为7：3，喷枪嘴距离工件表面：5-10cm；喷砂压力：0.6MPa；喷砂角度：与工作面成60°-90°；喷砂次数：正反面各2次；为保证提高喷砂效果和效率，要求喷枪在工作中作轻微的摆动；喷砂结束用氮气将工件表面的砂料出干净。

(2)玻璃珠干式喷砂

玻璃珠干式喷砂时使用的玻璃珠粒径为200目，喷砂压力：0.6MPa；喷枪嘴距离工件表面：5-10cm；喷砂压力：0.6MPa；喷砂角度：与工作面成60°-90°；喷砂次数：正反面各1次；为保证提高喷砂效果和效率，要求喷枪在工作中作轻微的摆动；喷砂结束用氮气将工件表面的砂料出干净。

玻璃珠干式喷砂的目的是为了去除嵌入在工件内部的白刚玉和棕刚玉颗粒。喷砂过程中，由于高速气流的作用，较硬的棕刚玉和白刚玉颗粒会对较软的金属表面产生切削磨损，造成工件表面大部分氧化物和污渍玻璃表面，然而也会有部分棕刚玉和白刚玉的硬质颗粒嵌入到金属表层，这样会对后续的镀膜产生不利影响。通过较软的玻璃珠喷砂可以有效解决这一问题，高速气流夹杂玻璃珠可以对工件表面形成二次清洁，同时，可以将嵌入金属表层的硬质颗粒剥离出来。