一种超硬碳基薄膜及其制备方法与流程

本发明涉及工具领域，且特别涉及一种超硬碳基薄膜及其制备方法。

背景技术：

现代机械加工过程中，氮化物(ti(al,cr)n、ticn等)涂层是切削刀具常用涂层，用于提高刀具耐磨性、加工质量及使用寿命。随着切削速度的提高、干式切削的普及，具有更高硬度和耐磨性的刀具涂层在切削加工领域具有广泛的应用前景。尤其在有色金属加工领域，常用氮化物涂层容易与其发生粘黏，不适合有色金属加工。不掺杂碳基薄膜因其具有良好的耐磨性能且与有色金属不发生粘黏，在有色金属加工行业展示出巨大的应用潜力。常见的碳基薄膜有类金刚石薄膜和金刚石薄膜，采用常用溅射技术制备的类金刚石薄膜在不掺杂金属的情况下，薄膜内应力大致膜基结合力差。掺杂金属后类金刚石膜内应力降低膜基结合提高，但在加工有色金属过程中掺杂元素容易与被加工有色金属发生粘黏致加工质量下降和刀具寿命降低。金刚石薄膜具有接近天然金刚石的硬度(100gpa)，具有优异的力学性能和良好的导热性，是加工有色金属的理想膜层材料，但金刚石膜成本高且镀膜温度高(＞800℃)限制了其在有色金属加工行业的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超硬碳基薄膜的制备方法，该制备方法简单可行，其制备得到的超硬碳基薄膜不掺杂金属，其硬度高。

本发明的另一目的在于提供一种超硬碳基薄膜，其通过上述的方法制备得到。该超硬碳基薄膜不掺杂金属，硬度高。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种超硬碳基薄膜的制备方法，用于切削刀具，超硬碳基薄膜的制备方法包括依次进行的：

清洗基材及工件架；

制备过渡cr层；

制备过渡cr-c结合层；

制备过渡c层；

制备超硬碳基薄膜。

本发明提出一种超硬碳基薄膜，其通过上述的超硬碳基薄膜的制备方法制备得到。

本发明实施例的超硬碳基薄膜及其制备方法的有益效果是：

本发明的实施例提供的超硬碳基薄膜的制备方法，主要用于切削刀具，其主要包括在离子辅助和偏压作用下对基材进行清洗，在闭合磁场条件下于基材表面沉积一层cr过渡层，基于电弧离子镀技术在高偏压下作用下在cr层表面形成cr-c结合层，通过偏压调控形成具有硬度梯度的c过渡层，通过闭合磁场提高电弧c离子碰撞几率和限制c离子外溢，提高基材周围c离子能量阈值，从而提升c基薄膜中sp³键含量，达到提高碳基薄膜硬度的目的。

本发明的实施例提供的超硬碳基薄膜，通过上述方法制备得到的超硬碳基薄膜面向切削刀具用高结合力、硬度超过50gpa，性能优异。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1高速钢基材表面超硬碳基薄膜xps图谱。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的超硬碳基薄膜及其制备方法进行具体说明。

一种超硬碳基薄膜的制备方法，用于切削刀具，超硬碳基薄膜的制备方法包括依次进行的：

清洗基材及工件架；

制备过渡cr层；

制备过渡cr-c结合层；

制备过渡c层；

制备超硬碳基薄膜。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，超硬碳基薄膜的制备方法包括：

在离子辅助和偏压作用下对基材和工件架进行清洗；

在闭合磁场条件下在基材的表面沉积一层过渡cr层；

基于电弧离子镀技术在高偏压下作用下在过渡cr层的表面形成过渡cr-c结合层；

通过偏压调控在过渡cr-c结合层的表面形成具有硬度梯度的c过渡层；

通过闭合磁场提高电弧c离子碰撞几率和限制c离子外溢，提高基材周围c离子能量阈值，从而提升c基薄膜中sp³键含量，以制备得到超硬碳基薄膜。

详细地，在离子辅助和偏压作用下对基材进行清洗，在闭合磁场条件下于基材表面沉积一层cr过渡层，基于电弧离子镀技术在高偏压下作用下在cr层表面形成cr-c结合层，通过偏压调控形成具有硬度梯度的c过渡层，通过闭合磁场提高电弧c离子碰撞几率和限制c离子外溢，提高基材周围c离子能量阈值，从而提升c基薄膜中sp³键含量，达到提高碳基薄膜硬度的目的。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，清洗基材具体包括：

负偏压设置为150～250v，在离子辅助和偏压作用下对工件架及基材进行离子清洗30～50min。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，制备过渡cr层具体包括：

负偏压设置为50～70v，ar流量设置为100～150sccm，磁控cr靶功率设置为3～5kw或电弧cr靶50～70a，闭合磁场电磁线圈电流2～5a，镀cr层10～15min。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，制备过渡cr-c结合层具体包括：

ar流量设置为30～50sccm，电弧c靶电流设置为50～70a，闭合磁场电磁线圈电流设置为2～5a，在高负偏压800～1000v作用下，cr层表面c注入时间2～5min。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，制备过渡c层具体包括：

电弧c靶电流设置为50～70a，ar流量设置为30～50sccm，闭合磁场电磁线圈电流设置为2～5a，调控基材负偏压5～15min从20～30v升至40～60v，负偏压60v保持5～10min。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，制备超硬碳基薄膜具体包括：

基材负偏压保持60～100v，电弧c靶电流50～70a，ar流量30～50sccm，闭合磁场电磁线圈电流2～5a，镀c膜时间20～60min。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，基材为单晶硅片、不锈钢、硬质合钢或高速钢。

一种超硬碳基薄膜，其通过上述的超硬碳基薄膜的制备方法制备得到。

进一步地，在本发明的较佳实施例中，超硬碳基薄膜的硬度超过50gpa。其性能好，硬度高，不含金属。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种超硬碳基薄膜，其通过以下方法制备得到：

s1：将除油清洗后的高速钢刀具置于专用夹具上，负偏压150v，在离子辅助和偏压作用下对工件架及基材进行离子清洗40min；

s2：负偏压60v，ar流量100sccm，磁控cr靶功率3kw，闭合磁场电磁线圈电流2a，镀cr层12min；

s3：ar流量40sccm，电弧c靶电流50a，闭合磁场电磁线圈电流3a，负偏压800v，cr层表面c注入时间2min；

s4：电弧c靶电流60a，ar流量50sccm，闭合磁场电磁线圈电流3a，调控基材负偏压5min从30v升至40v，负偏压60v保持10min；

s5：基材负偏压保持80v，电弧c靶电流60a，ar流量30sccm，闭合磁场电磁线圈电流3a，镀c膜时间40min。

实施例1得到的超硬碳基薄膜xps图谱如图1所示。该超硬碳基薄膜的厚度0.42um，硬度62gpa，结合力55n。

实施例2

本实施例提供了一种超硬碳基薄膜，其通过以下方法制备得到：

s1：将除油清洗后的高速钢刀具置于专用夹具上，负偏压200v，在离子辅助和偏压作用下对工件架及基材进行离子清洗30min；

s2：负偏压50v，ar流量120sccm，电弧cr靶电流60a，闭合磁场电磁线圈电流5a，镀cr层15min；

s3：ar流量30sccm，电弧c靶电流60a，闭合磁场电磁线圈电流2a，负偏压1000v，cr层表面c注入时间5min；

s4：电弧c靶电流70a，ar流量40sccm，闭合磁场电磁线圈电流2a，调控基材负偏压10min从30v升至50v，负偏压60v保持5min；

s5：基材负偏压保持60v，电弧c靶电流50a，ar流量40sccm，闭合磁场电磁线圈电流5a，镀c膜时间20min。

实施例2得到的碳基薄膜厚度0.35um，硬度57gpa，结合力60n。

实施例3

本实施例提供了一种超硬碳基薄膜，其通过以下方法制备得到：

s1：将除油清洗后的硬质合金刀具置于专用夹具上，负偏压180v，在离子辅助和偏压作用下对工件架及基材进行离子清洗50min；

s2：负偏压70v，ar流量150sccm，磁控cr靶功率5kw，闭合磁场电磁线圈电流3a，镀cr层10min；

s3：ar流量50sccm，电弧c靶电流70a，闭合磁场电磁线圈电流5a，负偏压900v，cr层表面c注入时间3min；

s4：电弧c靶电流50a，ar流量30sccm，闭合磁场电磁线圈电流5a，调控基材负偏压15min从20v升至60v，负偏压60v保持10min；

s5：基材负偏压保持100v，电弧c靶电流70a，ar流量50sccm，闭合磁场电磁线圈电流2a，镀c膜时间60min。

实施例3得到的碳基薄膜厚度0.57um，硬度66gpa，结合力58n。

综上所述，本发明的实施例提供的超硬碳基薄膜的制备方法，该制备方法简单可行，其制备得到的超硬碳基薄膜不掺杂金属，其硬度高。本发明的实施例提供的超硬碳基薄膜，其通过上述的方法制备得到。该超硬碳基薄膜不掺杂金属，硬度高。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。