专利名称：具有抗腐蚀和减摩性能的掺Cr的DLC涂层及制备方法
技术领域：
本发明属于涂层材料制备领域，具体涉及一种具有抗腐蚀和减摩性能的掺Cr的类金刚石涂层(以下简称DLC涂层)的制备方法。
背景技术：
硬质涂层如TiN，TiAlN, TiSiN等，一般具有高硬度、耐磨损和抗氧化等性能，在切削刀具、成型模具及机械零部件表面防护领域具有广泛应用前景。近年来为了降低汽车和摩托车发动机的燃油消耗，解决发动机滑动部件如活塞、 活塞环和气缸等的减摩和腐蚀问题正变得越来越重要。另外，各种机械轴承传动系统和高速无油缝纫机零部件如轴承内外圈、保持架、滚动体、针杆、挑线连杆、轴套、旋梭等均需要具有抗腐蚀的减摩涂层。显然，上述传统硬质涂层难以满足要求。类金刚石涂层DLC (Diamond-like Carbon)以其高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性引起人们的广泛关注，但DLC涂层自身内应力大、结合力差，经常在使用过程中发生开裂和剥落，不能有效发挥它的功效。掺Ti的DLC涂层虽然耐磨和减摩性能有所提高，但其腐蚀性能还不理想。于是，开发具有抗腐蚀和减摩性能的DLC涂层就显得很重要。为此，申请人利用金属Cr良好的抗腐蚀性能，以及与钢基体良好的晶格匹配关系，设计了一种具有较好结合力和减摩、抗腐蚀的掺Cr的DLC涂层。目前，硬质涂层的制备方法主要有物理气相沉积技术和化学气相沉积技术，其中，物理气相沉积技术包括热丝弧离子镀、电弧离子镀、磁控溅射离子镀等方法；化学气相沉积技术包括高温化学气相沉积、脉冲直流等离子体增强化学气相沉积、微波等离子体增强化学气相沉积和射频等离子体增强化学气相沉积等。但化学气相沉积涂层技术普遍温度较高
500°C)，对基材有一定限制。当前，物理气相沉积是制备硬质涂层的主流技术，主要包括两类技术，一是磁控溅射沉积技术，该方法具有成分调控和结构优化方便，以及膜层致密和表面光洁度高等优点，目前主要应用在装饰工件和部分工模具上。但磁控溅射的主要缺点是涂层结合力不高，沉积速率较慢，难以满足严酷服役条件下的工件表面强化要求。二是电弧离子镀沉积技术，电弧离子镀具有沉积速率快、结合力高等优点，目前主要应用在各种基体材料的刀具和模具上。但电弧离子镀涂层中的液滴由于制备原理本身的限制，始终无法彻底消除，导致涂层结构较为疏松，表面粗糙度差等。
发明内容
基于上述各种涂层制备方法的不足，本发明的目的在于，提供一种具有抗腐蚀和减摩性能的掺Cr的DLC涂层的制备方法，该方法制备的掺Cr的DLC涂层，表面光滑致密，涂层硬度为20GPa，有望满足汽车和摩托车的发动机零部件的抗腐蚀和减摩要求。为了实现上述任务，本发明采取如下的解决方案一种抗腐蚀和减摩的掺Cr的DLC涂层制备的方法，其特征在于。该方法包括下列步骤
I)将预处理好的基体放入电弧与磁控溅射复合镀膜设备的转架杆上，该转架杆随转架台转动，或者自转，以保证镀膜过程的均匀性；2)以柱弧Cr靶作为Cr源，三对平面C靶作为C的来源，三对平面C靶以对靶的方式安置在炉体内壁上；采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯N2为反应气体，使其离化并与Cr、C元素结合，在基体表面沉积形成掺Cr的DLC涂层；3)制备工艺条件A)基体等离子体清洗基体装入真空室后，抽真空并加热到为300°C不变。通入10ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-IOOOV对真空室的基体表面进行轰击清洗，持续30min ；B) Cr底层制备·调节氩气流量到30ml/min、将真空室气压调至O. 3Pa，然后开启柱弧Cr靶，柱弧电流为50A，调整偏压到-300V并保持lOmin，在基体表面制备Cr底层；C)CrC过渡层制备Cr底层制备完成后，保持柱弧Cr靶的柱弧电流50A和偏压-300V不变，打开平面C靶的控制电源，将平面C靶的电源功率调至3KW，在Cr底层上制备CrC过渡层，持续IOmin ；D)掺Cr的DLC涂层制备CrC过渡层制备完成后，将柱弧Cr靶的柱弧电流降低到30A，将平面C靶的电源功率调至5KW，CrC过渡层上再制备掺Cr的DLC涂层，掺Cr的DLC涂层制备过程中真空室温度300°C，镀膜偏压-200V，气压O. 3Pa，DLC涂层沉积时间120min。本发明采用电弧与磁控派射复合镀膜技术HAMSD (Hybrid Arc-MagnetronSputtering Deposition),利用了磁控派射膜层致密的优点，以及电弧离子镀膜层结合力高的优点，并采用了底层和过渡层设计方法，所制备的掺Cr的DLC涂层，表面光滑致密，涂层的硬度20GPa，膜基结合力达到80N，涂层厚度为2. O μ m。当摩擦副为Al2O3球时，掺Cr的DLC涂层的干摩擦系数为O. 16，掺Cr的DLC涂层在电解液磷酸盐(PH=7. 4)中的腐蚀电位700mv,钝化电流密度4. 76 X 10_6/A · cm_2。表明掺Cr的DLC涂层具有良好的抗腐蚀性能和减摩性能。
图I为本发明的电弧与磁控溅射复合镀膜设备结构示意图。以下结合附图和发明人给出的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式本实施例给出一种在高速钢表面制备抗腐蚀和减摩性能的掺Cr的DLC涂层的方法，需要说明的是，本发明的方法制备的掺Cr的DLC涂层，可以在任何刀具、模具和机械耐磨零部件选用的材料上进行，不限于该实施例。本实施例的具体制备过程是(I)采用经1170°C淬火，550°C回火后的硬度为HRC=60的高速钢基体(材料W18Cr4V)作为样品，经表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，酒精脱水。
(2)将预处理好的样品放入电弧与磁控溅射复合镀膜设备中。如图I所示，电弧与磁控溅射复合镀膜设备至少包括真空室I、转台架2、偏压3、转架杆4、平面C靶5、永磁体
6、柱弧Cr靶7、加热器8、泵组9，样品置于转架杆4上，转架杆4可以随转台架2转动，也可以自转，这样就避免了薄膜只能单面镀以及镀膜不均的问题，保证了镀膜过程的均匀性。(3)采用Φ 60X495mm柱弧Cr靶7作为Cr源，有效提高膜基结合力，通过柱弧电源电流控制柱弧Cr靶7的溅射率；靶材采用尺寸为435 X 95 X IOmm的三对平面C靶5作为相应C元素的来源，如图I所示，平面C靶5以对靶的方式安置在炉体内壁上，并通过调整中频脉冲电源的功率控制上述平面C靶的溅射率；采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯凡作为反应气体，使其离化并与靶中的Cr、C元素结合，在样品表面沉积形成掺Cr的DLC涂层。(4)电弧与磁控溅射复合离子镀制备掺Cr的DLC涂层的优化工艺条件为A)样品等离子体清洗 样品装入真空室后，抽真空并加热到为300°C不变。通入10ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-IOOOV对真空室工件表面进行轰击清洗，持续30min。B) Cr底层制备调节氩气流量到30ml/min、将真空室气压调至O. 3Pa，然后开启柱弧Cr靶，柱弧电流为50A，调整偏压到-300V并保持lOmin，在基体表面制备Cr底层。C)CrC过渡层制备Cr底层制备完成后，保持柱弧Cr靶的柱弧电流50A和偏压-300V不变，打开平面C靶的控制电源，将平面C靶的电源功率调至3KW，在Cr底层上制备CrC过渡层。持续lOmin。D)掺Cr的DLC涂层制备CrC过渡层制备完成后，将柱弧Cr靶的柱弧电流降低到30A，将平面C靶的电源功率调至5KW，在CrC过渡层上制备掺Cr的DLC涂层。掺Cr的DLC涂层制备过程中真空室温度300°C，镀膜偏压-200V，气压O. 3Pa，DLC涂层沉积时间120min。在上述工艺条件下，即可获得表面光滑致密，涂层厚度为2. O μ m的抗腐蚀和减摩性能的掺Cr的DLC涂层。经测试，涂层的硬度20GPa，膜基结合力为80N，涂层厚度为2. O μ m，当摩擦副为Al2O3球时，掺Cr的DLC涂层的干摩擦系数为O. 16，掺Cr的DLC涂层在电解液磷酸盐(PH=7. 4)中的腐蚀电位700mv，钝化电流密度4. 76X 10_6/A · cm_2。表明掺Cr的DLC涂层具有良好的抗腐蚀性能和减摩性能。
权利要求
1.一种抗腐蚀和减摩的掺Cr的DLC涂层制备的方法，其特征在于。该方法包括下列步骤 1)将预处理好的基体放入电弧与磁控溅射复合镀膜设备的转架杆上，该转架杆随转架台转动，或者自转，以保证镀膜过程的均匀性； 2)以柱弧Cr靶作为Cr源，三对平面C靶作为C的来源，三对平面C靶以对靶的方式安置在炉体内壁上；采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯队作为反应气体，使其离化并与Cr、C元素结合，在基体表面沉积形成掺Cr的DLC涂层； 3)制备工艺条件 A)基体等离子体清洗 基体装入真空室后，抽真空并加热到为300°C不变。通入10ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-IOOOV对真空室的基体表面进行轰击清洗，持续30min ； B)Cr底层制备 调节氩气流量到30ml/min、将真空室气压调至O. 3Pa，然后开启柱弧Cr靶，柱弧电流为50A，调整偏压到-300V并保持lOmin，在基体表面制备Cr底层； C)CrC过渡层制备 Cr底层制备完成后，保持柱弧Cr靶的柱弧电流50A和偏压-300V不变，打开平面C靶的控制电源，将平面C靶的电源功率调至3KW，在Cr底层上制备CrC过渡层，持续IOmin ； D)掺Cr的DLC涂层制备 CrC过渡层制备完成后，将柱弧Cr靶的柱弧电流降低到30A，将平面C靶的电源功率调至5KW，CrC过渡层上再制备掺Cr的DLC涂层，掺Cr的DLC涂层制备过程中真空室温度3000C，镀膜偏压-200V，气压O. 3Pa，DLC涂层沉积时间120min。
2.如权利要求I所述的方法，其特征在于，所述的基体预处理包括表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗和酒精脱水。
全文摘要
本发明公开了一种抗腐蚀和减摩的掺Cr的DLC涂层制备的方法，将预处理好的基体放入电弧与磁控溅射复合镀膜设备的转架杆上，以柱弧Cr靶作为Cr源，三对平面C靶作为C的来源，三对平面C靶以对靶的方式安置在炉体内壁上；采用高纯Ar作为主要离化气体，保证有效的辉光放电过程；采用高纯N2作为反应气体，使其离化并与Cr、C元素结合，在基体表面沉积形成掺Cr的DLC涂层；所制备的掺Cr的DLC涂层，表面光滑致密，涂层的硬度20GPa，膜基结合力达到80N，涂层厚度为2.0μm，有良好的抗腐蚀性能和减摩性能。
文档编号C23C14/22GK102912298SQ201210421250
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者马胜利 申请人:西安浩元涂层技术有限公司