本發(fā)明涉及一種復(fù)合厚膜及其鍍膜方法，尤其是一種基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜及其鍍膜方法。

背景技術(shù)：

類(lèi)金剛石薄膜是一種含有大量sp3鍵的亞穩(wěn)態(tài)非晶碳薄膜，碳原子間主要以sp3和sp2雜化鍵結(jié)合，性能接近于金剛石，類(lèi)金剛石具有和金剛石幾乎一樣的特性，由于具有高硬度和高彈性模量，低摩擦因數(shù)，耐磨損以及良好的真空摩擦學(xué)特性，很適合于作為耐磨涂層，因而通過(guò)氣相沉積工藝獲得的類(lèi)金剛石薄膜在眾多有耐磨、硬度要求的零件上得到廣泛應(yīng)用。

常規(guī)的類(lèi)金剛石薄膜制備往往采用單一的電弧技術(shù)、磁控濺射技術(shù)或者離子束輔助沉積技術(shù)，而單一的技術(shù)在制備類(lèi)金鋼石涂層時(shí)存在一定缺陷，主要表現(xiàn)制備的類(lèi)金剛石涂層的厚度僅能在2~4μm之間。

然而，無(wú)論是在什么樣的零件上使用，一般來(lái)說(shuō)，在滿足零件尺寸要求的前提下，整個(gè)涂層的厚度，尤其是其中類(lèi)金剛石薄膜的厚度往往是越厚越好，這樣零件的耐磨性和硬度會(huì)相應(yīng)提高，然而采用單一工藝制備時(shí)，一旦整個(gè)涂層的厚度增加，尤其是其中類(lèi)金剛石薄膜的厚度增加，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)涂層內(nèi)應(yīng)力增大，影響涂層和基材的結(jié)合力，導(dǎo)致涂層易與基材剝離，這就對(duì)涂層的使用壽命和效率產(chǎn)生影響，因此，涂層厚度與膜基結(jié)合力的矛盾的調(diào)和成為亟待解決的問(wèn)題。

同時(shí)，隨著涂層以及類(lèi)金剛石薄膜厚度的增加，涂層表面產(chǎn)生的缺陷增多，涂層表面的粗糙度增加，摩擦系數(shù)也會(huì)增大。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提供一種基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜及其鍍膜方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜，包括由基材表面向外依次形成的金屬底層、過(guò)渡層及類(lèi)金剛石層，所述過(guò)渡層是采用磁控濺射和增強(qiáng)型陰極電弧技術(shù)同時(shí)工作形成的兩種膜層交錯(cuò)堆疊的混合物層，所述類(lèi)金剛石層的厚度在1~10μm之間。

優(yōu)選的，所述的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜，其中：所述金屬底層是cr層、ti層或ni層中的一種，并通過(guò)磁控濺射技術(shù)生成，其厚度在0.2~1μm之間。

優(yōu)選的，所述的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜，其中：所述過(guò)渡層的厚度在1~10μm之間。

優(yōu)選的，所述的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜，其中：所述過(guò)渡層中的兩種膜層是c層和cr層或wc層或ti層。

優(yōu)選的，所述的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜，其中：所述類(lèi)金剛石層為無(wú)氫類(lèi)金剛石層，并通過(guò)增強(qiáng)型陰極電弧技術(shù)生成。

基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜的鍍膜方法，包括如下步驟：

s1，將基材清洗后放入真空腔內(nèi)，進(jìn)行等離子體清洗；

s2，在0.5~3.0pa的工藝真空度下，以cr、ti或ni為靶材，在經(jīng)過(guò)清洗的基材表面磁控濺射一層金屬底層；

s3，在0.5~3.0pa的工藝真空度下，同時(shí)開(kāi)啟cr、wc或ti靶材的磁控濺射濺射電源以及c靶材的電弧電源，并通過(guò)控制兩個(gè)靶材的電源功率配比為2:1-4:1之間，在金屬底層表面形成包含兩種交錯(cuò)堆疊的膜層的過(guò)渡層；

s4，以石墨靶材為碳源，采用增強(qiáng)型陰極電弧技術(shù)在過(guò)渡層上形成1~10μm的類(lèi)金剛石層。

優(yōu)選的，所述的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜的鍍膜方法，其中：所述s1步驟包括如下過(guò)程：

s11，將基材放入堿性溶液中超聲波震蕩清洗；

s12，將經(jīng)過(guò)s11步驟的基材在過(guò)濾純水中超聲波震蕩清洗；

s13，將經(jīng)過(guò)s12步驟的基材在烘干箱中完成烘干；

s14，將經(jīng)過(guò)s13步驟的基材放入真空腔后，開(kāi)始將真空腔抽真空，達(dá)到5×10^-3pa的真空度后，開(kāi)啟加熱器加熱保持100℃，然后通入氬氣，并繼續(xù)抽真空，保持工藝真空度為0.5~3.0pa，開(kāi)啟陽(yáng)極層離子束，電壓為1000v~2000v,開(kāi)啟偏壓電源，偏壓電源設(shè)定在800v~2000v，對(duì)基材進(jìn)行30~90min的等離子體清洗。

優(yōu)選的，所述的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜的鍍膜方法，其中：在s2步驟中，所述cr、ti或ni靶材的磁控濺射電源的功率控制在1~4kw之間，且工件上施加-30v~-1000v的負(fù)偏壓，沉積時(shí)間為3~50min，形成的金屬底層的厚度在0.2μm~1μm之間。

優(yōu)選的，所述的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜的鍍膜方法，其中：在s3步驟中，所述cr、wc或ti靶材的磁控濺射電源功率2~4kw；所述c靶材的電弧電源功率為1~2kw。

優(yōu)選的，所述的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜的鍍膜方法，其中：在s3步驟中，所述采用磁控濺射和增強(qiáng)型陰極電弧技術(shù)同時(shí)沉積的時(shí)間為60~200min，形成的過(guò)渡層的厚度在1~10μm之間。

優(yōu)選的，所述的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜的鍍膜方法，其中：在s4步驟中，所述石墨靶材的電弧電源的功率為800~2000w，沉積時(shí)間為60~200min。

本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

本發(fā)明設(shè)計(jì)精巧，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)使過(guò)渡層采用兩種膜層交替堆疊的結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮磁控濺射膜層的內(nèi)應(yīng)力小以及增強(qiáng)型陰極電弧膜層的硬度大的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)渡層硬度大和內(nèi)應(yīng)力小的有效結(jié)合，而硬度大和應(yīng)力小都有助于實(shí)現(xiàn)類(lèi)金剛石層厚度的增加，最終形成的復(fù)合厚膜的厚度達(dá)到20μm以上，并且可以有效緩沖厚膜功能層帶來(lái)的巨大應(yīng)力，從而保障復(fù)合厚膜與基材的結(jié)合力，同時(shí)能夠有效降低復(fù)合厚膜的表面缺陷。

本發(fā)明的鍍膜方法，過(guò)程簡(jiǎn)單，控制便利，使用兩種不同鍍膜方法同時(shí)工作并按照一定的電源功率匹配來(lái)有效的控制過(guò)渡層的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)硬度大和應(yīng)力小的有效結(jié)合，該方法獲得的復(fù)合厚膜的附著性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)類(lèi)金剛石薄膜，同時(shí)，采用增強(qiáng)型陰極電弧的方法的沉積速率快，可以有效提高鍍膜效率，通過(guò)多種pvd技術(shù)的融合及工藝參數(shù)的設(shè)置，提供了一種工藝穩(wěn)定性高、效果好的類(lèi)金剛石厚膜的加工方法。

本發(fā)明將多種鍍膜方法結(jié)合，克服了磁控濺射和增強(qiáng)型陰極電弧技術(shù)同時(shí)工作時(shí)相互間產(chǎn)生的污染，整個(gè)過(guò)程無(wú)污染，綠色環(huán)保。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，將通過(guò)下面優(yōu)選實(shí)施例的非限制性說(shuō)明進(jìn)行圖示和解釋。這些實(shí)施例僅是應(yīng)用本發(fā)明技術(shù)方案的典型范例，凡采取等同替換或者等效變換而形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。

本發(fā)明揭示了基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜，包括由基材4表面向外依次形成的金屬底層1、過(guò)渡層2及類(lèi)金剛石層3，其中，所述金屬底層1是cr層、ti層或ni層中的一種，并通過(guò)磁控濺射技術(shù)生成，其厚度在0.2~1μm之間，金屬cr、ti或ni有利于增強(qiáng)整個(gè)復(fù)合厚膜與基材的結(jié)合力。

所述過(guò)渡層2是采用磁控濺射和增強(qiáng)型陰極電弧技術(shù)同時(shí)工作形成的兩種膜層交錯(cuò)堆疊的混合物層，所述兩種膜層是c層和cr層或wc層或ti層，它們形成的所述過(guò)渡層2的厚度在1~10μm之間。

并且，由于當(dāng)dlc涂層用于水環(huán)境時(shí)，有氫dlc中的氫元素受水環(huán)境影響，進(jìn)而影響到復(fù)合厚膜的性能，因此，所述類(lèi)金剛石層3優(yōu)選為無(wú)氫類(lèi)金剛石層，并通過(guò)增強(qiáng)型陰極電弧技術(shù)生成，所述類(lèi)金剛石層3的厚度在1~10μm之間。

所以，最終得到的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜的總厚度能夠達(dá)到20μm，相對(duì)于常規(guī)的類(lèi)金剛石薄膜，本發(fā)明的厚度實(shí)現(xiàn)了大幅度的增長(zhǎng)，同時(shí)，本發(fā)明的復(fù)合厚膜與基材的結(jié)合力良好，達(dá)到120n以上，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合厚膜的厚度增加和膜基結(jié)合力提高的有效統(tǒng)一。

本發(fā)明進(jìn)一步揭示了一種上述的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜的鍍膜方法，包括如下步驟：

s1，將基材清洗后放入真空腔內(nèi)，進(jìn)行等離子體清洗；

其具體又包括如下步驟：

s11，將基材放入堿性溶液中超聲波震蕩清洗；

s12，將經(jīng)過(guò)s11步驟清洗的基材在過(guò)濾純水中超聲波震蕩清洗；

s13，將經(jīng)過(guò)s12步驟清洗的基材在烘干箱中完成烘干；

s14，將經(jīng)過(guò)s13步驟的基材放入真空腔后，開(kāi)始將真空腔抽真空，達(dá)到5×10^-3pa的真空度后，開(kāi)啟加熱器加熱達(dá)到100℃，然后通入純度為99.999%的高純氬氣，控制氬氣的通入流量為10~70sccm,并繼續(xù)抽真空，保持工藝真空度為0.5~3.0pa，接著，開(kāi)啟陽(yáng)極層離子束，電壓為1000v~2000v,開(kāi)啟偏壓電源，偏壓電源設(shè)定在800v~2000v，對(duì)基材進(jìn)行30~90min的等離子體清洗。

s2，在0.5~3.0pa的工藝真空度下，以cr、ti或ni為靶材，在經(jīng)過(guò)清洗的基材表面磁控濺射一層金屬底層1，在磁控濺射過(guò)程中，所述cr、ti或ni靶材的磁控濺射電源的功率控制在1~4kw之間，且工件上施加-30v~-1000v的負(fù)偏壓，沉積時(shí)間為3~50min，從而在基材4上形成厚度在0.2μm~1μm之間的金屬底層1。

s3，在真空度抽到5.0×10^-3pa時(shí)，向真空腔內(nèi)通入純度為99.999%的高純氬氣，并控制氬氣的通入流量為20~120sccm，并在0.5~3.0pa的工藝真空度下，同時(shí)開(kāi)啟cr、wc或ti靶材的磁控濺射濺射電源以及c靶材的電弧電源，并控制磁控濺射濺射電源以及c靶材的電弧電源的功率配比為2:1-4:1，具體來(lái)來(lái)說(shuō)，控制所述cr、wc或ti靶材的磁控濺射電源功率為2~4kw；所述c靶材的電弧電源功率為1~2kw，控制所述采用磁控濺射和增強(qiáng)型陰極電弧技術(shù)同時(shí)沉積的時(shí)間為60~200min，從而在金屬底層1表面形成厚度在1~10μm之間的上述過(guò)渡層2。

經(jīng)發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，將磁控濺射和增強(qiáng)型陰極電弧技術(shù)相結(jié)合后，所得到的基于類(lèi)金剛石薄膜的復(fù)合厚膜的附著性提高，這是由于磁控濺射和增強(qiáng)型陰極電弧的結(jié)合使得膜層在制備過(guò)程中呈現(xiàn)多層疊加的結(jié)構(gòu)，其中，磁控濺射制備的膜層（軟質(zhì)膜層）硬度相對(duì)較低，約18gpa左右，內(nèi)應(yīng)力較小，而增強(qiáng)型陰極電弧制備的膜層（硬質(zhì)膜層）的硬度較高，在25gpa以上，但存在較大的內(nèi)應(yīng)力，但兩者交替堆疊后有效的結(jié)合了兩種膜層的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合厚膜的高硬度和低內(nèi)應(yīng)力。

詳細(xì)來(lái)說(shuō)，是由于過(guò)渡層2在生長(zhǎng)過(guò)程中長(zhǎng)成柱狀晶結(jié)構(gòu)，柱狀晶生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大顆粒之類(lèi)的缺陷從而導(dǎo)致更大的內(nèi)應(yīng)力，通過(guò)軟質(zhì)膜層、硬質(zhì)膜層交錯(cuò)堆疊，能夠打斷柱狀晶的縱向生長(zhǎng)，減少晶粒之間的缺陷或空位，進(jìn)而減小柱狀晶自身缺陷產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力。

另一方面，這種軟質(zhì)膜層和硬質(zhì)膜層的結(jié)合使得過(guò)渡層2還使得硬質(zhì)膜層的內(nèi)應(yīng)力得到釋放，這是由于軟質(zhì)膜層的韌性較好，能產(chǎn)生較大的形變，硬質(zhì)膜層沉積在上面時(shí)，硬質(zhì)膜層內(nèi)部的應(yīng)力通過(guò)與軟質(zhì)膜層的結(jié)合而得到釋放，從而起到進(jìn)一步降低整個(gè)過(guò)渡層2內(nèi)應(yīng)力的目的。

而過(guò)渡層的硬度提高，有利于在其上沉積更后的類(lèi)金剛石層，同時(shí)過(guò)渡層的內(nèi)應(yīng)力降低，使得整個(gè)復(fù)合厚膜內(nèi)部的應(yīng)力降低，進(jìn)而提高整個(gè)復(fù)合厚膜與基材的附著性；同時(shí)，由于整個(gè)復(fù)合厚膜的內(nèi)部應(yīng)力降低，使得復(fù)合厚膜在生長(zhǎng)過(guò)程中不會(huì)沿某一方向生長(zhǎng)，有效降低膜層的表面缺陷。

另外發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)：磁控濺射和增強(qiáng)型陰極電弧技術(shù)同時(shí)工作時(shí)的污染主要表現(xiàn)為兩列靶同時(shí)工作，由于功率上的差異會(huì)使其中一種靶材表面出現(xiàn)另外一種靶材元素，導(dǎo)致兩種元素的比例出現(xiàn)異常，針對(duì)此種情況，發(fā)明人進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：通過(guò)對(duì)兩種靶材的電源功率進(jìn)行調(diào)整，使功率配比控制在2:1-4:1范圍內(nèi)，兩種材料的比例可以控制在這個(gè)范圍內(nèi)，制備涂層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的性能不發(fā)生影響。

并且，如果它們的功率配比大于4:1，獲得的復(fù)合厚膜的硬度會(huì)降低；如果它們的功率配比小于2:1，獲得的復(fù)合厚膜的內(nèi)應(yīng)力較大，導(dǎo)致復(fù)合厚膜與基材的附著力下降。

s4，以石墨靶材為碳源，采用增強(qiáng)型陰極電弧技術(shù)在過(guò)渡層2上形成1~10μm的類(lèi)金剛石層3，在沉積過(guò)程中，控制所述石墨靶材的電弧電源的功率為800~2000w，沉積時(shí)間為60~200min。

本發(fā)明尚有多種實(shí)施方式，凡采用等同變換或者等效變換而形成的所有技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。