一种掺钨的类金刚石涂层及其制备方法
【专利摘要】本发明提供了一种掺钨的类金刚石涂层及其制备方法，该涂层包括沉积于基体表面的Cr底层、制备于Cr底层上的CrC过渡层及制备于CrC过渡层上的掺W的类金刚石层。制备时先将基体进行等离子体清洗，然后开启柱型电弧Cr靶，在基体表面制备Cr底层，再打开平面磁控溅射C靶，在Cr底层上制备CrC过渡层，最后关闭柱型电弧Cr靶，打开平面磁控溅射W靶，在CrC过渡层上制备掺W的类金刚石层。本发明采用电弧与磁控溅射复合镀膜技术，制得的涂层表面光滑致密、涂层硬度高、膜基结合力高、摩擦系数低，具有良好的抗氧化及化学稳定性能，能够满足较高的抗氧化和耐磨减摩性能的要求，具有广泛的应用前景。
【专利说明】一种掺钨的类金刚石涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于涂层材料制备领域，具体涉及一种掺钨的类金刚石(DLC)涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]传统的碳基超硬涂层，如掺Ti或掺Cr的类金刚石(Diamond-like Carbon,简称DLC)涂层具有高硬度、低摩擦系数等优异性能，在机械零部件表面防护领域具有广泛应用前景，但这些涂层的抗氧化性能不足，已限制了它们的进一步应用。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、活塞环和气缸等在高温工作条件下的磨损和氧化失效正变得越来越重要。另外，制冷压缩机曲轴、滑块等高速运动的零部件表面也需要涂覆具有抗氧化的耐磨减摩涂层。显然，上述传统碳基涂层难以满足要求。
[0003]目前，碳基超硬涂层主要采用磁控溅射沉积技术制备，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，但磁控溅射技术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。电弧离子镀涂层制备技术具有沉积速率快、结合力高等优点，目前主要应用在刀具和模具表面涂层制备上。然而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】
[0004]本发明的目的在于提供一种掺钨的类金刚石涂层及其制备方法，该掺钨的类金刚石涂层表面光滑致密，涂层硬度强，能够满足抗氧化和耐磨减摩性能的要求。
[0005]为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种掺钨的类金刚石涂层，包括沉积于基体表面的Cr底层、制备于Cr底层上的CrC过渡层以及制备于CrC过渡层上的掺W的类金刚石层。
[0007]所述的Cr底层由电弧离子镀涂层方法制得，CrC过渡层由电弧离子镀涂层方法和磁控溅射方法制得，掺W的类金刚石层由磁控溅射方法制得。
[0008]其厚度为2.0ii m，硬度为28GPa，膜基结合力为70N，抗氧化温度达到800°C ;当摩擦副为Si3N4球时，其干摩擦系数为0.1。
[0009]一种掺钨的类金刚石涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0010]1)基体等离子体清洗:将预处理好的基体放入电弧与磁控溅射复合镀膜设备的真空室中,抽真空后通入Ar对基体表面进行轰击清洗；
[0011]2) Cr底层的制备:在步骤I)完成后，调节氩气流量使真空室气压为0.3Pa，然后开启柱型电弧Cr靶，在基体表面制备Cr底层；
[0012]3) CrC过渡层的制备:在步骤2)完成后，柱型电弧Cr靶保持开启状态，打开平面磁控溅射C靶，在Cr底层上制备CrC过渡层；
[0013]4)掺W的类金刚石层的制备:在步骤3)完成后，将柱型电弧Cr靶关闭，将平面磁控溅射C靶的功率调至5KW，将平面磁控溅射W靶的功率由O增加到3KW，在CrC过渡层上制备掺W的类金刚石层，得到掺钨的类金刚石涂层。
[0014]所述的基体为经1170°C淬火，550°C回火后的硬度为HRC=60的高速钢基体，其材料为 W18Cr4Vo
[0015]所述的基体的预处理为:将基体表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，然后酒精脱水。
[0016]所述的步骤I)中抽真空后先加热至300°C，再通入Ar对基体表面进行轰击清洗，轰击清洗的具体操作为:通入10ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时,开偏压至-1OOOV对真空室内的基体表面进行轰击清洗，持续30min。
[0017]所述的步骤2)中调节氩气流量为30ml/min从而使真空室气压为0.3Pa，在基体表面制备Cr底层的具体操作为:柱型电弧Cr靶的电流为50A，偏压为-300V，保持lOmin。
[0018]所述的步骤3)中在Cr底层上制备CrC过渡层的具体操作为:维持柱型电弧Cr靶的电流为50A，偏压为-300V，平面磁控溅射C靶的功率为3KW，持续30min。
[0019]所述的步骤4)中掺W的类金刚石层的制备过程中的真空室温度为150°C，偏压为-300V，气压为1.5Pa，沉积时间为150min。
[0020]相对于现有技术，本发明的有益效果为:
[0021]本发明利用了高熔点金属钨(W)良好的抗氧化性能，提供了一种具有过渡层结构的掺钨的类金刚石涂层，该掺钨的类金刚石涂层表面光滑致密、涂层硬度高、膜基结合力高、摩擦系数低，还具有良好的抗氧化及化学稳定性能，能够满足较高的抗氧化和耐磨减摩性能的要求，有望实现汽车和摩托车的发动机零部件的抗氧化和耐磨减摩性能要求，具有广泛的应用前景。
[0022]本发明采用电弧与磁控派射复合镀膜技术HAMSD (Hybrid Arc-MagnetronSputtering Deposition),利用磁控派射膜层致密的优点，以及电弧离子镀膜层结合力高和生长速度快的优点，并采用了底层和过渡层的设计方法，先在基体上沉积Cr底层，再在Cr底层上制备CrC过渡层，最后在CrC过渡层上制备掺W的类金刚石层，最终得到掺钨的类金刚石涂层，所制备的掺钨的类金刚石涂层表面光滑致密，涂层的硬度高，膜基结合力强，干摩擦系数低，抗氧化温度高。表明掺钨的类金刚石涂层具有良好的抗氧化性能和耐磨减摩性能。
[0023]进一步的，采用本发明的方法制备的掺钨的类金刚石涂层，经测定其厚度为
2.0ii m，硬度为28GPa，膜基结合力为70N，抗氧化温度达到800°C ；
[0024]当摩擦副为Si3N4球时，其干摩擦系数为0.1。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明的电弧与磁控溅射复合镀膜设备的结构示意图；
[0026]图2为本发明制备的掺钨的类金刚石涂层的扫描截面形貌SEM图；
[0027]其中:1为真空室、2为转台架、3为偏压、4为转架杆、5为平面磁控溅射C靶或平面磁控溅射W靶、6为永磁体、7为柱型电弧Cr靶、8为加热器、9为泵组。
【具体实施方式】[0028]以下结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0029]本发明提供的掺钨的类金刚石涂层，包括沉积于基体表面的Cr底层、制备于Cr底层上的CrC过渡层以及制备于CrC过渡层上的掺W的类金刚石层。Cr底层由柱型电弧Cr靶(电弧离子镀涂层方法)制得，CrC过渡层由柱型电弧Cr靶和平面磁控溅射C靶(电弧离子镀涂层方法和磁控溅射方法)制得，掺W的类金刚石层由平面磁控溅射W靶和平面磁控溅射C靶(磁控溅射方法)制得。
[0030]实施例1给出一种在高速钢表面制备掺钨的类金刚石涂层的方法，需要说明的是，本发明的方法制备的掺钨的类金刚石涂层，可以在任何黑色或有色金属材料表面上进行，不限于该实施例。
[0031]实施例1
[0032](I)基体预处理: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)作为基体，将其表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，然后酒精脱水。
[0033](2)将预处理好的基体放入电弧与磁控溅射复合镀膜设备的真空室中的的转架杆上。如图1所示，电弧与磁控溅射复合镀膜设备至少包括真空室1、转台架2、偏压3、转架杆
4、平面磁控溅射C靶或平面磁控溅 射W靶5、永磁体6、柱型电弧Cr靶7、加热器8、泵组9，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。
[0034](3)采用(j560X495mm柱型电弧Cr靶7作为打底层和过渡层的Cr源，有效提高膜基结合力，通过柱型电弧Cr靶的电流控制柱弧Cr靶7的溅射率；采用尺寸为435 X 95 X IOmm的三对平面磁控溅射靶(其中一对为平面磁控溅射W靶，两对为平面磁控溅射C靶)作为相应W或C元素的来源，如图1所示，三对平面磁控溅射靶5以对靶的方式安置在电弧与磁控溅射复合镀膜设备的内壁上，并通过调整中频脉冲电源的功率控制平面磁控溅射靶的溅射率；采用高纯Ar作为离化气体，保证有效的辉光放电过程，在基体表面沉积形成掺钨的类金刚石涂层。
[0035](4)掺钨的类金刚石涂层的制备工艺条件:
[0036]A)基体等离子体清洗:
[0037]将基体装入真空室后，抽真空并加热至保持300°C不变，然后通入10ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-1OOOV对真空室内的基体表面进行轰击清洗，持续30min。
[0038]B ) Cr底层的制备:
[0039]在步骤A)完成后，调节氩气流量到30ml/min，从而将真空室气压调至0.3Pa，然后开启柱型电弧Cr靶，柱型电弧Cr靶的电流为50A，调整偏压到-300V并保持lOmin，在基体表面制备Cr底层。
[0040]C) CrC过渡层的制备:
[0041]Cr底层制备完成后，保持柱型电弧Cr靶的电流为50A和偏压为-300V不变，打开平面磁控溅射C靶的控制电源，将平 面磁控溅射C靶的电源功率调至3KW，在Cr底层上制备CrC过渡层，持续30min。
[0042]D)掺W的类金刚石层的制备:
[0043]CrC过渡层制备完成后，将柱型电弧Cr靶关闭，将平面磁控溅射C靶的电源功率调至5KW，将平面磁控溅射W靶的电源功率逐渐由O增加到3KW，在CrC过渡层上制备掺W的类金刚石层，掺W的类金刚石层制备过程中真空室温度为150°C，偏压为-300V，气压为1.5Pa，沉积时间为150min。
[0044]在上述工艺条件下，即可获得表面光滑致密，涂层厚度为2.0 y m的掺钨的类金刚石涂层。该涂层纵截面的扫描电镜微观结构形貌如图2所示，可以看出，涂层结构致密，与基体的分界线明显。经测试，制备出的掺钨的类金刚石涂层的硬度28GPa，膜基结合力70N，涂层厚度2.0iim。当摩擦副为Si3N4球时,掺鹤的类金刚石涂层的干摩擦系数为0.1,掺鹤的类金刚石涂层的抗氧化温度达到800°C，表明掺钨的类金刚石涂层具有良好的抗氧化性能和耐磨减摩性能。`
【权利要求】
1.一种掺钨的类金刚石涂层，其特征在于:包括沉积于基体表面的Cr底层、制备于Cr底层上的CrC过渡层以及制备于CrC过渡层上的掺W的类金刚石层。
2.根据权利要求1所述的掺钨的类金刚石涂层，其特征在于:所述的Cr底层由电弧离子镀涂层方法制得，CrC过渡层由电弧离子镀涂层方法和磁控溅射方法制得，掺W的类金刚石层由磁控溅射方法制得。
3.根据权利要求1或2所述的掺钨的类金刚石涂层，其特征在于:其厚度为2.0y m，硬度为28GPa，膜基结合力为70N，抗氧化温度达到800°C;当摩擦副为Si3N4球时，其干摩擦系数为0.1。
4.一种掺钨的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)基体等离子体清洗:将预处理好的基体放入电弧与磁控溅射复合镀膜设备的真空室中,抽真空后通入Ar对基体表面进行轰击清洗； 2)Cr底层的制备:在步骤I)完成后，调节氩气流量使真空室气压为0.3Pa，然后开启柱型电弧Cr靶，在基体表面制备Cr底层； 3)CrC过渡层的制备:在步骤2)完成后，柱型电弧Cr靶保持开启状态，打开平面磁控溅射C靶，在Cr底层上制备CrC过渡层； 4)掺W的类金刚石层的制备:在步骤3)完成后，将柱型电弧Cr靶关闭，将平面磁控溅射C靶的功率调至5KW，将平面磁控溅射W靶的功率由0增加到3KW，在CrC过渡层上制备掺W的类金刚石层，得到掺钨的类金刚石涂层。
5.根据权利要求4所述的掺钨的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于:所述的基体为经1170°C淬火，550°C回火后的硬度为HRC=60的高速钢基体，其材料为W18Cr4V。
6.根据权利要求4所述的掺钨的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于:所述的基体的预处理为:将基体表面除油、抛光后浸入丙酮中超声波清洗，然后酒精脱水。
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的掺钨的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于:所述的步骤I)中抽真空后先加热至300°C，再通入Ar对基体表面进行轰击清洗，轰击清洗的具体操作为:通入10ml/min的Ar到真空室，当真空室气压达到6Pa时，开偏压至-1OOOV对真空室内的基体表面进行轰击清洗，持续30min。
8.根据权利要求4-6中任意一项所述的掺钨的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于:所述的步骤2)中调节氩气流量为30ml/min从而使真空室气压为0.3Pa，在基体表面制备Cr底层的具体操作为:柱型电弧Cr靶的电流为50A，偏压为-300V，保持lOmin。
9.根据权利要求4-6中任意一项所述的掺钨的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于:所述的步骤3)中在Cr底层上制备CrC过渡层的具体操作为:维持柱型电弧Cr靶的电流为50A，偏压为-300V，平面磁控溅射C靶的功率为3KW，持续30min。
10.根据权利要求4-6中任意一项所述的掺钨的类金刚石涂层的制备方法，其特征在于:所述的步骤4)中掺W的类金刚石层的制备过程中的真空室温度为150°C，偏压为-300V，气压为1.5Pa，沉积时间为150min。
【文档编号】C23C14/34GK103451608SQ201310344882
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年8月8日 优先权日:2013年8月8日
【发明者】马胜利 申请人:西安交通大学