專利名稱：抗磨與潤(rùn)滑一體化多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種抗磨與潤(rùn)滑一體化多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜的制備方法，具體說(shuō)是采用物理氣相沉積技術(shù)在金屬工件表面獲得高硬度和超低摩擦的碳基固體潤(rùn)滑薄膜。
背景技術(shù)：
類金剛石碳基薄膜是最新發(fā)展起來(lái)的一種新型固體潤(rùn)滑材料，具有表面光滑、高硬度、低摩擦和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，是接觸運(yùn)動(dòng)機(jī)械部件表面改性的理想薄膜材料。然而，高性能類金剛石碳膜的制備卻受困于薄膜內(nèi)部較大的內(nèi)應(yīng)力，其內(nèi)應(yīng)力可高達(dá)數(shù)GPa，這不僅降低了碳膜與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，也限制了碳膜的沉積厚度和服役壽命。通過(guò)在類金剛石碳膜中摻入一定量的金屬元素可以有效降低薄膜中的內(nèi)應(yīng)力，從而有效的提高類金剛石碳膜的耐磨壽命。摻雜的金屬可以分為兩類，一類是能與碳形成強(qiáng)化學(xué)鍵的金屬元素即稱強(qiáng)碳金屬(如Ti、W、Mo、Si等金屬元素)，通過(guò)這類金屬與碳薄膜的摻雜復(fù)合(專利 CN101081557A、專利CN101152779A))，形成的高硬度碳化物納米顆粒彌散分布在非晶碳基質(zhì)中，雖然能夠有效的提高薄膜硬度，但是類金剛石碳膜的脆性隨之增加，導(dǎo)致其摩擦系數(shù)升高以及耐疲勞磨損壽命降低；另一類就是只能與碳形成弱化學(xué)鍵或不形成化學(xué)鍵的金屬元素即稱弱碳金屬(如Al、Cu、Ag等金屬元素)，通過(guò)這類金屬與碳薄膜的摻雜復(fù)合，可顯著提高碳膜的韌性，但存在的弊端就是使得類金剛石碳膜的硬度降低，從而導(dǎo)致類金剛石碳膜的磨損增大。目前還未見(jiàn)通過(guò)將強(qiáng)碳金屬和弱碳金屬相結(jié)合實(shí)現(xiàn)具有抗磨與固體潤(rùn)滑一體化功效的多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜的相關(guān)專利報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高硬度、低應(yīng)力、超低摩擦和優(yōu)異耐磨損的多元金屬摻雜碳基納米復(fù)合薄膜的制備方法。我們通過(guò)金屬摻雜獲得高硬度與高韌性匹配、超低摩擦和超低磨損的碳基復(fù)合薄膜是該類薄膜的難點(diǎn)。在碳基薄膜沉積過(guò)程中，同時(shí)將兩類元素在碳膜中進(jìn)行摻雜復(fù)合，優(yōu)化結(jié)合強(qiáng)碳金屬和弱碳金屬的多元摻雜模式可以有效的互補(bǔ)單元金屬摻雜所導(dǎo)致的不足， 從而獲得同時(shí)兼?zhèn)涓哂捕?、低?yīng)力、自潤(rùn)滑與抗磨損一體化特性的多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜。一種抗磨與潤(rùn)滑一體化多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于該方法步驟為A、等離子濺射清洗基材，將軸承鋼基材置于磁控濺射氣相沉積系統(tǒng)中，進(jìn)行氬等離子體濺射清洗，氬氣氣體流量為90 lOOsccm，偏壓為-800 -1000V，處理時(shí)間為20 30min ；B、磁控濺射沉積Ti或Si粘接層，金屬Ti靶或Si靶為陰極，工作氣體為氬氣，控制電源功率為500 700W，偏壓為-500V，處理時(shí)間為20 30min ；
C、磁控濺射沉積多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜沉積過(guò)程中，真空室的本底真空為 5\10_卞^放電氣壓為0. 6Pa，磁控靶采用三靶共濺射系統(tǒng)，其中高純石墨靶放置在中間， 兩邊分別放置強(qiáng)碳金屬靶(Ti、W、Mo或Si)和弱碳金屬靶(Al)，石墨靶電流為控制為1 1. 2A，金屬靶電流控制為0. 3 0. 5A。底材施加負(fù)偏壓為-300 -500V，沉積時(shí)間120 ISOmin ；自然冷卻，在軸承鋼工件表面獲得多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜。相比于單一金屬摻雜的碳基復(fù)合薄膜，本發(fā)明獲得的多元摻雜復(fù)合碳基薄膜具有高硬度(硬度高于20GPa)、低的摩擦系數(shù)(干摩擦系數(shù)0.05-0. 08)、超低內(nèi)應(yīng)力(低于 IGPa)和優(yōu)異耐磨性(提高4-7倍)。本發(fā)明的抗磨與潤(rùn)滑-體化多元摻雜碳基納米復(fù)合潤(rùn)滑薄膜，所述的多元摻雜是指將強(qiáng)碳金屬Ti (W、Mo或Si)和弱碳金屬Al共同摻雜復(fù)合于非晶碳基質(zhì)中，從而形成特殊的納米晶/非晶復(fù)合微結(jié)構(gòu)，復(fù)合薄膜厚度為2. 0 3. 0微米。采用拉曼光譜、X射線光電子能譜儀和高分辨投射電子顯微鏡(HRTEM)考察了本發(fā)明所制備的多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜的成分和顯微結(jié)構(gòu)。利用納米壓入測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量薄膜的硬度。利用薄膜應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)分析了薄膜內(nèi)應(yīng)力。結(jié)果表明多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜為金屬碳化物納米顆粒(Tic、MoC或WC)和金屬納米顆粒(Al)均勻鑲嵌于非晶碳基質(zhì)中，屬于典型的納米晶/非晶復(fù)合微結(jié)構(gòu)；復(fù)合薄膜硬度高達(dá)20-25GPa ；多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜具有超低內(nèi)應(yīng)力(低于IGPa)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單一金屬摻雜的碳基復(fù)合薄膜(5 IOGPa)。利用球盤(pán)式往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察了大氣干摩擦條件下薄膜的摩擦磨損性能， 測(cè)試頻率為5Hz，載荷為5N，摩擦對(duì)偶為Φ6πιπι的GCrl5鋼球，測(cè)試時(shí)間為2h，結(jié)果表明(如表1所示)本發(fā)明方法得到的多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜具有優(yōu)異的摩擦磨損性能多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜的摩擦系數(shù)可穩(wěn)定在0. 05 0. 08左右，而單一金屬摻雜的碳基復(fù)合薄膜摩擦系數(shù)高達(dá)0. 15 0. 22。與單一金屬元素?fù)诫s的碳基復(fù)合薄膜相比，本發(fā)明獲得的多元摻雜碳基復(fù)合薄膜的耐磨性可提高4-7倍；對(duì)本發(fā)明方法制備的多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜優(yōu)異摩擦磨損特性原因分析如下多元摻雜碳基復(fù)合薄膜中含有一定的強(qiáng)碳化物和弱碳化物，在摩擦接觸過(guò)程中，弱碳金屬Al的摻雜能夠有效的促進(jìn)碳相分離，由于摩擦熱和摩擦接觸應(yīng)力的存在會(huì)導(dǎo)致高硬度碳基薄膜表面發(fā)生石墨化現(xiàn)象，從而在摩擦表面以及對(duì)偶表面形成一層低剪切強(qiáng)度的類石墨薄層，最后形成了如

圖1所示的雙層薄膜結(jié)構(gòu)(高硬度支撐層/軟質(zhì)摩擦表層)。這種摩擦誘導(dǎo)的雙層薄膜結(jié)構(gòu)在摩擦接觸過(guò)程中，高硬度多元摻雜復(fù)合薄膜起到承載作用，而軟質(zhì)石墨化表層起到降低摩擦系數(shù)和保護(hù)摩擦對(duì)偶損傷的作用，從而整體復(fù)合薄膜表現(xiàn)出一定的抗磨損與自潤(rùn)滑功能一體化效果。同時(shí)薄膜磨痕以及對(duì)偶鋼球磨斑上的微區(qū)拉曼光譜分析表明，這種多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜在摩擦接觸表面更容易形成有序的、連續(xù)的碳轉(zhuǎn)移薄層，從而大幅度提高了復(fù)合薄膜的耐磨壽命并顯著降低了其摩擦系數(shù)。本發(fā)明獲得的多元摻雜碳基復(fù)合薄膜能夠協(xié)同利用弱碳金屬Al對(duì)摩擦過(guò)程中接觸表面低剪切類石墨薄層形成的促進(jìn)作用，以及強(qiáng)碳金屬摻雜碳基復(fù)合薄膜的高硬度特性，克服了單一強(qiáng)碳金屬摻雜碳基薄膜以及單一弱碳金屬摻雜復(fù)合薄膜各自存在的缺點(diǎn)， 可以起到優(yōu)異抗磨損與自潤(rùn)滑一體化功效。適合作為高性能固體潤(rùn)滑與耐磨防護(hù)涂層而廣泛用于精密機(jī)械(軸承、齒輪、葉片)、發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)(活塞環(huán)、活塞銷、噴油嘴等)和精密模具等行業(yè)。表1多元金屬摻雜碳基納米復(fù)合薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率對(duì)比結(jié)果
權(quán)利要求
1. 一種抗磨與潤(rùn)滑一體化多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜的制備方法，其特征在于該方法步驟為A、等離子濺射清洗基材，將軸承鋼基材置于磁控濺射氣相沉積系統(tǒng)中，進(jìn)行氬等離子體濺射清洗，氬氣氣體流量為90 lOOsccm，偏壓為-800 -1000V，處理時(shí)間為20 30min ；B、磁控濺射沉積Ti或Si粘接層，金屬Ti靶或Si靶為陰極，工作氣體為氬氣，控制電源功率為500 700W，偏壓為-500V，處理時(shí)間為20 30min ；C、磁控濺射沉積多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜沉積過(guò)程中，真空室的本底真空為 5\10_卞^放電氣壓為0. 6Pa，磁控靶采用三靶共濺射系統(tǒng)，其中高純石墨靶放置在中間， 兩邊分別放置強(qiáng)碳金屬靶(Ti、W、Mo或Si)和弱碳金屬靶(Al)，石墨靶電流為控制為1 1. 2A，金屬靶電流控制為0. 3 0. 5A。底材施加負(fù)偏壓為-300 -500V，沉積時(shí)間120 ISOmin ；自然冷卻，在軸承鋼工件表面獲得多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種抗磨與潤(rùn)滑一體化多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜的制備方法。該方法采用物理氣相沉積技術(shù)在金屬工件表面獲得高硬度和超低摩擦的碳基固體潤(rùn)滑薄膜，薄膜厚度為2.0～3.0微米。相比于單一金屬摻雜的類金剛石碳基復(fù)合薄膜，本發(fā)明獲得的多元摻雜碳基納米復(fù)合薄膜具有高硬度(高于20GPa)、低摩擦系數(shù)(摩擦系數(shù)0.05-0.08)、超低內(nèi)應(yīng)力(低于1GPa)和優(yōu)異耐磨性(提高4-7倍)。適合作為抗磨損與自潤(rùn)滑一體化功能防護(hù)薄膜而廣泛用于精密機(jī)械(軸承、齒輪、葉片)、發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)(活塞環(huán)、活塞銷、噴油嘴等)和精密模具等行業(yè)。
文檔編號(hào)C23C14/35GK102337497SQ20101023418
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月22日
發(fā)明者周升國(guó), 王立平, 薛群基 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所