專利名稱：鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬材料表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法。
背景技術(shù)：
鋁或鋁合金由于質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高，被廣泛的應(yīng)用于航空、航天、汽車及微電子等工業(yè)領(lǐng)域，但對(duì)鋁或鋁合金表面的要求也越來(lái)越高，由于鋁或鋁合金表面硬度低，耐磨損性能差，所以需要表面強(qiáng)化處理來(lái)改善其表面性能。類金剛石碳膜(DLC)具有硬度高、摩擦系數(shù)低、導(dǎo)熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)異性能，沉積面積大，膜面光滑平整，是材料表面改性的理想涂層材料。但是由于鋁和鋁合金與類金剛石碳膜(DLC)性能和成分的差異導(dǎo)致直接在鋁或鋁合金表面形成的類金剛石碳膜(DLC)與基體之間的殘余應(yīng)力大、結(jié)合力和承載能力差，類金剛石碳膜(DLC)在高速重載條件下耐磨損性能低，易從鋁或鋁合金基體上剝落。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決類金剛石碳膜(DLC)與鋁或鋁合金基體之間殘余應(yīng)力大、結(jié)合力和承載能力差，類金剛石碳膜在高速重載條件下耐磨損性能低，易從鋁或鋁合金基體上剝落的問(wèn)題，而提供的一種鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法。鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法按以下步驟在進(jìn)行(一)鋁或鋁合金在純度均≥99.9％的丙酮和乙醇的溶液中依次進(jìn)行超聲清洗；(二)鋁或鋁合金進(jìn)行氬等離子體濺射清洗，氬氣氣體流量為50～80sccm，工作氣壓為2.0×10-1～8.0×10-1Pa，偏壓幅值為4～8kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，脈沖頻率為50～100Hz，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為20～30min；(三)對(duì)鋁或鋁合金進(jìn)行鈦離子注入，鈦等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，鈦離子注入工作氣壓為2.0×10-2～6.0×10-2Pa，主弧電壓為40～80V，主弧脈沖寬度為100～1000μs，偏壓脈沖寬度比主弧脈沖寬度大100～200μs，偏壓幅值為20～30kV，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，處理時(shí)間為0.5～2.0h；(四)PIIID法沉積Ti沉積層鈦等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，Ti沉積工作氣壓為2.0×10-2～6.0×10-2Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，處理時(shí)間為1.0～2.0h；(五)PIIID法沉積TiN沉積層N等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為1.0～8.0h；(六)PIIID法沉積Ti(CN)沉積層C等離子體和N等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為1.0～8.0h；(七)PIIID法沉積TiC沉積層C等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為1.0～8.0h；(八)合成類金剛石碳膜，類金剛石碳膜由純度為90％～99.999％的石墨通過(guò)陰極磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-2～6.0×10-2Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～2ms，處理時(shí)間為1.0～10.0h，即得到表面有多層梯度膜的鋁或鋁合金；其中步驟(二)至步驟(八)在真空室內(nèi)進(jìn)行，真空室本底真空度1.0×10-4～4.0×10-3Pa。本發(fā)明的多層梯度膜由內(nèi)到外依次由鈦離子注入層、Ti沉積層、TiN沉積層、Ti(CN)沉積層、TiC沉積層和類金剛石碳膜組成。本發(fā)明中多層梯度膜上的類金剛石碳膜在重載條件下的磨損壽命比鋁或鋁合金表面直接形成、相同厚度的單層類金剛石碳膜提高10倍以上，摩擦系數(shù)低于0.1(球盤(pán)磨損試驗(yàn)的試驗(yàn)條件對(duì)磨件材料為Si3N4，載荷為500g，轉(zhuǎn)速為200r/min)。
本發(fā)明在鋁或鋁合金基體表面首先進(jìn)行Ti離子注入，形成鈦鋁互混層，提高了多層梯度膜與鋁或鋁合金基體的結(jié)合力；而后由PIIID法沉積的Ti、TiN、Ti(CN)、TiC多層梯度沉積層與外層的DLC形成了成分和性能上的梯度結(jié)構(gòu)，減小了外層DLC與鋁或鋁合金基體在成分和性能上的差異，從而緩釋了殘余應(yīng)力，提高了多層梯度膜與鋁或鋁合金基體的結(jié)合力。多層梯度沉積層具有很強(qiáng)的承載能力，使經(jīng)過(guò)強(qiáng)化處理的鋁或鋁合金基體在高速重載的情況下仍具有良好的耐磨損性能，同時(shí)也提高了鋁或鋁合金基體表面及亞表面的硬度和承載能力。本發(fā)明采用了等離子體浸沒(méi)離子注入與沉積(Plasma Immersion IonImplantation and Deposition，PIIID，或稱全方位離子注入與沉積)法，此方法是直接將待處理工件浸泡在等離子體中，然后在工件上施加主弧脈沖和偏壓脈沖實(shí)現(xiàn)工件表面的離子注入與沉積強(qiáng)化處理；此技術(shù)方法克服了傳統(tǒng)束線離子注入和離子束增強(qiáng)沉積技術(shù)的直射性限制，又由于高能離子的轟擊使得所沉積的膜層具有優(yōu)異的致密性和結(jié)合力。采用PIIID方法能夠在形狀復(fù)雜的零件表面獲得具有高結(jié)合力和優(yōu)良表面性能的強(qiáng)化層，并可實(shí)現(xiàn)零件的批量處理，在表面強(qiáng)化領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖1是對(duì)鋁基體表面直接形成的單層DLC進(jìn)行劃痕試驗(yàn)后的光學(xué)顯微鏡觀察圖，圖2是對(duì)本發(fā)明中鋁基體表面多層梯度膜進(jìn)行劃痕試驗(yàn)后的光學(xué)顯微鏡觀察圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一本實(shí)施方式鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法按以下步驟在進(jìn)行(一)鋁或鋁合金在純度均≥99.9％的丙酮和乙醇的溶液中依次進(jìn)行超聲清洗；(二)鋁或鋁合金進(jìn)行氬等離子體濺射清洗，氬氣氣體流量為50～80sccm，工作氣壓為2.0×10-1～8.0×10-1Pa，偏壓幅值為4～8kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，脈沖頻率為50～100Hz，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為20～30min；(三)對(duì)鋁或鋁合金進(jìn)行鈦離子注入，鈦等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，鈦離子注入工作氣壓為2.0×10-2～6.0×10-2Pa，主弧電壓為40～80V，主弧脈沖寬度為100～1000μs，偏壓脈沖寬度比主弧脈沖寬度大100～200μs，偏壓幅值為20～30kV，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，處理時(shí)間為0.5～2.0h；(四)PIIID法沉積Ti沉積層鈦等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，Ti沉積工作氣壓為2.0×10-2～6.0×10-2Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，處理時(shí)間為1.0～2.0h；(五)PIIID法沉積TiN沉積層N等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為1.0～8.0h；(六)PIIID法沉積Ti(CN)沉積層C等離子體和N等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為1.0～8.0h；(七)PIIID法沉積TiC沉積層C等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為1.0～8.0h；(八)合成類金剛石碳膜，類金剛石碳膜由純度為90％～99.999％的石墨通過(guò)陰極磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-2～6.0×10-2Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～2ms，處理時(shí)間為1.0～10.0h，即得到表面有多層梯度膜的鋁或鋁合金；其中步驟(二)至步驟(八)在真空室內(nèi)進(jìn)行，真空室本底真空度1.0×10-4～4.0×10-3Pa。
本實(shí)施方式步驟(二)中的氬等離子體由真空室內(nèi)的射頻天線產(chǎn)生，步驟(二)可除去基體表面的雜質(zhì)。
進(jìn)行劃痕對(duì)比試驗(yàn)，在鋁基體表面直接形成的單層DLC和在由本實(shí)施方式合成(基體為鋁)的多層梯度膜上同樣進(jìn)行加載速率為20N/min，最大載荷為60N，劃痕速度為2mm/min的劃痕過(guò)程。通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察，圖1中劃痕兩側(cè)的膜層與基體發(fā)生了脫離，形成了褶皺，而且在劃痕內(nèi)部，起始階段膜層便發(fā)生了脫離；圖2中劃痕兩側(cè)基本沒(méi)有發(fā)生變形及膜層剝落現(xiàn)象，而且在劃痕過(guò)程中，劃痕內(nèi)仍保留了膜層，只發(fā)生了層間剝落。試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明單層DLC與基體間殘余應(yīng)力大，膜與基體的結(jié)合力差；本實(shí)施方式合成的多層梯度膜與基體有非常好的結(jié)合性能。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(一)中兩次超聲清洗的時(shí)間均為8～15min。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是N等離子體由通入真空室的氮?dú)馍?。其它與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是C等離子體由在室溫下為氣態(tài)的碳?xì)浠衔锷?。其它與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四的不同點(diǎn)是碳?xì)浠衔餅榧淄椤⒁蚁┗蛞胰?。其它與實(shí)施方式四相同。
具體實(shí)施方式
六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
四的不同點(diǎn)是碳?xì)浠衔餅橐胰病Ｆ渌c實(shí)施方式四相同。
具體實(shí)施方式
七本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是鋁合金為鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁硅合金、鋁錳合金、鋁鎂硅合金或鋁鋅鎂銅合金。其它與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
八本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(二)至步驟(八)在真空室內(nèi)進(jìn)行，真空室本底真空度2.0×10-4～3.0×10-3Pa。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
九本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(三)中工作氣壓為3.0×10-2～5.0×10-2Pa，主弧電壓為50～70V，主弧脈沖寬度為200～900μs，偏壓脈沖寬度比主弧脈沖寬度大100～200μs，偏壓幅值為22～28kV，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為60～90Hz，處理時(shí)間為1.0～1.5h。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(四)中工作氣壓為3.0×10-2～5.0×10-2Pa，偏壓幅值為12～18kV，偏壓脈沖寬度為30～50μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為60～90Hz，主弧電壓為50～70V，主弧脈寬為1.5～2.5ms，處理時(shí)間為1.2～1.8h。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
十一本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(五)中工作氣壓為3.0×10-1～5.0×10-1Pa，偏壓幅值為12～18kV，偏壓脈沖寬度為30～50μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為60～90Hz，主弧電壓為50～70V，主弧脈寬為1.5～2.5ms，射頻功率400～500W，處理時(shí)間為2.0～7.0h。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
十二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(六)中工作氣壓為3.0×10-1～5.0×10-1Pa，偏壓幅值為12～18kV，偏壓脈沖寬度為30～50μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為60～90Hz，主弧電壓為50～70V，主弧脈寬為1.5～2.5ms，射頻功率400～500W，處理時(shí)間為2.0～7.0h。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
十三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(七)中工作氣壓為3.0×10-1～5.0×10-1Pa，偏壓幅值為12～18kV，偏壓脈沖寬度為30～50μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為60～90Hz，主弧電壓為50～70V，主弧脈寬為1.5～2.5ms，射頻功率400～500W，處理時(shí)間為2.0～7.0h。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
十四本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(八)中工作氣壓為3.0×10-2～5.0×10-2Pa，偏壓幅值為12～18kV，偏壓脈沖寬度為30～50μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為60～90Hz，主弧電壓為50～70V，主弧脈寬為1.2～1.8ms，處理時(shí)間為2.0～9.0h。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
十五本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(二)中氬氣氣體流量為55～75sccm，工作氣壓為3.0×10-1～7.0×10-1Pa，偏壓幅值為5～7kV，偏壓脈沖寬度為25～55μs，脈沖頻率為60～90Hz，射頻功率400～500W，處理時(shí)間為21～29min。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
十六本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一的不同點(diǎn)是步驟(二)至步驟(八)在真空室內(nèi)進(jìn)行，真空室本底真空度3.0×10-4～2.0×10-3Pa。其它步驟與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
十七本實(shí)施方式LY12鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理(一)LY12鋁合金在純度均為99.99％的丙酮和乙醇的溶液中依次進(jìn)行10min超聲清洗；(二)LY12鋁合金進(jìn)行氬等離子體濺射清洗，氬氣氣體流量為50sccm，工作氣壓為6.0×10-1Pa，偏壓幅值為6kV，偏壓脈沖寬度為60μs，脈沖頻率為100Hz，射頻功率500W，處理時(shí)間為30min；(三)對(duì)LY12鋁合金基體進(jìn)行鈦離子注入，鈦等離子體由純度為99％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，鈦離子注入工作氣壓為4.0×10-2Pa，主弧電壓為70V，主弧脈沖寬度為200μs，偏壓脈沖寬度為300μs，偏壓幅值為20kV，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50Hz，處理時(shí)間為0.5；(四)PIIID法沉積Ti沉積層鈦等離子體由純度為99％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，Ti沉積工作氣壓為4.0×10-2Pa，偏壓幅值為10kV，偏壓脈沖寬度為60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50Hz，主弧電壓為60V，主弧脈寬為2ms，處理時(shí)間為1.0h；(五)PIIID法沉積TiN沉積層N等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為99％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為4.0×10-1Pa，偏壓幅值為10kV，偏壓脈沖寬度為60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50Hz，主弧電壓為50V，主弧脈寬為3ms，射頻功率500W，處理時(shí)間為1.0h；(六)PIIID法沉積Ti(CN)沉積層C等離子體和N等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為99％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為4.0×10-1Pa，偏壓幅值為10kV，偏壓脈沖寬度為60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50Hz，主弧電壓為50V，主弧脈寬為3ms，射頻功率500W，處理時(shí)間為1.0h；(七)PIIID法沉積TiC沉積層C等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為99％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為4.0×10-1Pa，偏壓幅值為10kV，偏壓脈沖寬度為60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50Hz，主弧電壓為50V，主弧脈寬為3ms，射頻功率500W，處理時(shí)間為1.0h；(八)合成類金剛石碳膜，類金剛石碳膜由純度為99％的石墨通過(guò)陰極磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為4.0×10-2Pa，偏壓幅值為20kV，偏壓脈沖寬度為60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為100Hz，主弧電壓為70V，主弧脈寬為1ms，處理時(shí)間為2h，即得到表面有多層梯度膜的LY12鋁合金；其中步驟(二)至步驟(八)在真空室內(nèi)進(jìn)行，真空室本底真空度1.0×10-3Pa；步驟(六)和(七)中的C等離子體由C2H2氣體產(chǎn)生。
本實(shí)施方式LY12鋁合金基體上的形成的復(fù)合強(qiáng)化多層梯度膜在500g的重載條件下進(jìn)行球盤(pán)磨損試驗(yàn)。本實(shí)施方式LY12鋁合金基體上的形成的復(fù)合強(qiáng)化層耐磨損轉(zhuǎn)數(shù)＞60000轉(zhuǎn)，摩擦系數(shù)低于0.1。
權(quán)利要求
1.鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法，其特征在于鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法按以下步驟在進(jìn)行(一)鋁或鋁合金在純度均≥99.9％的丙酮和乙醇的溶液中依次進(jìn)行超聲清洗；(二)鋁或鋁合金進(jìn)行氬等離子體濺射清洗，氬氣氣體流量為50～80sccm，工作氣壓為2.0×10-1～8.0×10-1Pa，偏壓幅值為4～8kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，脈沖頻率為50～100Hz，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為20～30min；(三)對(duì)鋁或鋁合金進(jìn)行鈦離子注入，鈦等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，鈦離子注入工作氣壓為2.0×10-2～6.0×10-2Pa，主弧電壓為40～80V，主弧脈沖寬度為100～1000μs，偏壓脈沖寬度比主弧脈沖寬度大100～200μs，偏壓幅值為20～30kV，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，處理時(shí)間為0.5～2.0h；(四)PIIID法沉積Ti沉積層鈦等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，Ti沉積工作氣壓為2.0×10-2～6.0×10-2Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，處理時(shí)間為1.0～2.0h；(五)PIIID法沉積TiN沉積層N等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為1.0～8.0h；(六)PIIID法沉積Ti(CN)沉積層C等離子體和N等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為1.0～8.0h；(七)PIIID法沉積TiC沉積層C等離子體由射頻源產(chǎn)生，Ti等離子體由純度為90％～99.999％的鈦?zhàn)鳛殛帢O的磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-1～6.0×10-1Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～3ms，射頻功率300～600W，處理時(shí)間為1.0～8.0h；(八)合成類金剛石碳膜，類金剛石碳膜由純度為90％～99.999％的石墨通過(guò)陰極磁過(guò)濾脈沖陰極弧源產(chǎn)生，工作氣壓為2.0×10-2～6.0×10-2Pa，偏壓幅值為10～20kV，偏壓脈沖寬度為20～60μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為50～100Hz，主弧電壓為40～80V，主弧脈寬為1～2ms，處理時(shí)間為1.0～10.0h，即得到表面有多層梯度膜的鋁或鋁合金；其中步驟(二)至步驟(八)在真空室內(nèi)進(jìn)行，真空室本底真空度1.0×10-4～4.0×10-3Pa。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法，其特征在于步驟(一)中兩次超聲清洗的時(shí)間均為8～15min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法，其特征在于N等離子體由通入真空室的氮?dú)馍伞?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法，其特征在于C等離子體由在室溫下為氣態(tài)的碳?xì)浠衔锷伞?br> 5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法，其特征在于碳?xì)浠衔餅榧淄?、乙烯或乙炔?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法，其特征在于鋁合金為鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁硅合金、鋁錳合金、鋁鎂硅合金或鋁鋅鎂銅合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法，其特征在于步驟(二)至步驟(八)在真空室內(nèi)進(jìn)行，真空室本底真空度2.0×10-4～3.0×10-3Pa。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法，其特征在于步驟(三)中工作氣壓為3.0×10-2～5.0×10-2Pa，主弧電壓為50～70V，主弧脈沖寬度為200～900μs，偏壓脈沖寬度比主弧脈沖寬度大100～200μs，偏壓幅值為22～28kV，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為60～90Hz，處理時(shí)間為1.0～1.5h。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法，其特征在于步驟(四)中工作氣壓為3.0×10-2～5.0×10-2Pa，偏壓幅值為12～18kV，偏壓脈沖寬度為30～50μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為60～90Hz，主弧電壓為50～70V，主弧脈寬為1.5～2.5ms，處理時(shí)間為1.2～1.8h。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法，其特征在于步驟(五)中工作氣壓為3.0×10-1～5.0×10-1Pa，偏壓幅值為12～18kV，偏壓脈沖寬度為30～50μs，偏壓脈沖頻率與主弧脈沖頻率相同為60～90Hz，主弧電壓為50～70V，主弧脈寬為1.5～2.5ms，射頻功率400～500W，處理時(shí)間為2.0～7.0h。
全文摘要
鋁或鋁合金基體表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法，它涉及一種金屬材料表面離子注入與沉積復(fù)合強(qiáng)化處理方法。它解決了類金剛石碳膜與鋁或鋁合金基體間殘余應(yīng)力大、結(jié)合力和承載能力差，DLC在高速重載條件下耐磨損性能低，易從鋁或鋁合金基體上剝落的問(wèn)題。合成方法按以下步驟進(jìn)行(一)鋁或鋁合金超聲清洗；(二)鋁或鋁合金氬離子濺射清洗；(三)鈦離子注入；(四)PIIID法沉積Ti；(五)PIIID法沉積TiN；(六)PIIID法沉積Ti(CN)；(七)PIIID法沉積TiC；(八)合成類金剛石碳膜，即得到表面有多層梯度膜的鋁或鋁合金；步驟(二)至(八)在真空室內(nèi)進(jìn)行。本發(fā)明中多層梯度膜上的DLC的磨損壽命比相同厚度的單層DLC提高10倍以上，摩擦系數(shù)低于0.1。
文檔編號(hào)C23C14/16GK1858296SQ20061001013
公開(kāi)日2006年11月8日 申請(qǐng)日期2006年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月8日
發(fā)明者王宇航, 王浪平, 王小峰, 湯寶寅 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)