[发明专利]一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法

说明书

一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法，金属基体上部涂覆Cr粘结层，Cr粘结层上部为C/C多层复合膜，C/C多层复合膜是由软C膜和硬C膜交替沉积构成。制备方法，包括以下步骤：（1）工件预处理；（2）离子清洗；（3）Cr粘结层的制备；（4）C/C多层复合膜的制备。本发明用真空离子镀技术通过控制基体偏压制备了软硬交替的C/C多层膜，各层界面相互匹配，薄膜具有较好的结合力和韧性，高偏压下离子轰击产生的诱导效应导致薄膜中的SP²键向sp³键转变，增强了类金刚石薄膜的耐磨性能。这种同质多层结构，使薄膜的硬度高达40GPa，摩擦系数低于0.15，并具有良好耐久性，因此扩大了类金刚石薄膜工程化应用范围。

技术领域

本发明涉及材料表面改性技术领域，尤其涉及的是一种利用真空离子镀方法制备的超厚无氢类金刚石薄膜材料。

背景技术

为了降低发动机的燃油消耗，减轻发动机滑动部位的摩擦非常重要，尤其是活塞、活塞环等关键部件，例如活塞环组对降低总机械摩擦的贡献高达25%。在考虑优化活塞环和气缸表面的摩擦系统的措施时，活塞环涂层起着举足轻重的作用。类金刚石薄膜作为一种高硬度减摩抗磨表面保护薄膜材料，具有优异的耐磨性能、低摩擦系数以及与发动机润滑油良好的协同复配特性，是发动机节能降耗表面处理技术的一个重要研究方向。

汽车发动机及传动系统的滑动部件一般采用燃油或机油来是实现润滑功能，然而含氢类金刚石薄膜与机油的组合在摩擦降低效果的持续性方面不够理想，主要是由于类金刚石膜中的C-H键因滑动摩擦热及机械类被切断后，碳会与润滑油反应，从而加速了薄膜的磨损。另外，类金刚石薄膜在沉积过程中产生较高的内应力，使其与金属基体的结合力差，膜层容易起皮、脱落，限制了薄膜的沉积厚度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法，具有良好的膜-基结合强度、较高的硬度和优越的耐磨性能。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种超厚无氢类金刚石薄膜，金属基体1上部涂覆Cr粘结层2，Cr粘结层2上部为C/C多层复合膜3，C/C多层复合膜3是由软C膜和硬C膜交替沉积构成。

所述金属基体1为铸铁或合金钢。

所述Cr粘结层2的厚度为0.2～0.5μm。

所述C/C多层复合膜3为至少交替沉积30次的软C膜和硬C膜，单层软C膜厚度为80~110 nm，单层硬C膜厚度为170~200nm。

一种超厚无氢类金刚石薄膜及其制备方法，包括以下步骤：

（1）工件预处理，对工件进行研磨抛光处理，然后将工件进行清洗、烘干，并放入真空离子镀炉腔转架上；

（2）离子清洗，抽真空后，真空室气压低于8×10^-4Pa后，启动基体转架，速度控制在2~4rpm，通入氩气，进行氩离子辉光清洗，然后减少氩气流量，开启Cr金属靶，对工件进行金属离子刻蚀清洗；

（3）Cr粘结层的制备，开启Cr金属靶，设置基体偏压、靶材电流及沉积温度，沉积纯Cr粘结层，沉积时间为20~30分钟；

（4）C/C多层复合膜的制备，关闭步骤（3）中的Cr靶，保持气压不变，然后开启两列石墨靶，设置沉积温度和石墨靶电流，通过控制基体脉冲偏压交替沉积软C膜和硬C膜，制备C/C多层复合膜。

所述步骤（1）中，研磨抛光后的工件表面粗糙度Ra＜0.1 μm，将工件分别进行纯水和酒精超声清洗。