本發(fā)明涉及一種多層復合類金剛石碳膜及其制備方法，屬于表面處理技術領域。

背景技術：

類金剛石碳膜(diamond-likecarbon，dlc)，即dlc膜是一種由sp3雜化碳原子和sp2雜化碳原子共同組成的非晶態(tài)薄膜。由于結(jié)構(gòu)介于金剛石和石墨之間，dlc膜兼具這兩種材料的一些特性，如高硬度、高熱導率、低介電常數(shù)、優(yōu)異的減摩抗磨性、良好的光學透過性以及優(yōu)異的化學惰性和生物相容性等，這使得dlc膜在機械、電子、光學、航空航天、生物醫(yī)學、裝飾外觀等多個領域得到了廣泛應用。

dlc膜良好的耐磨性、耐腐蝕性和低摩擦系數(shù)，可以滿足對軸承、密封元器件等許多機械零件的表面強化與防護需求。然而，dlc膜存在的一些缺點也在很大程度上影響著它的應用，其中之一是dlc膜具有很高的內(nèi)應力，由于內(nèi)應力較高會導致其作為保護膜不能較好地與金屬基體結(jié)合，因而限制了膜厚，尤其在大面積dlc膜涂覆時，表現(xiàn)尤為顯著。

以液壓破碎錘為例，活塞是液壓破碎錘的關鍵部件，其在缸體內(nèi)往復運動以維持液壓破碎錘的正常工作。在實際工作過程中，由于不可避免地受液壓油、加工精度及釬桿反彈等的影響，易出現(xiàn)因活塞拉傷而產(chǎn)生漏油的現(xiàn)象，尤其是較大規(guī)格的液壓破碎錘，會導致液壓破碎錘的沖擊功下降，生產(chǎn)效率降低，甚至無法工作。液壓破碎錘活塞失效形式主要表現(xiàn)為工作圓柱表面嚴重磨損、拉傷等，都是從表面開始的。如果能夠克服大面積涂覆dlc膜產(chǎn)生的應力，在這種大型活塞表面形成附著力高的dlc膜，就可以在很大程度上延長活塞壽命，提高生產(chǎn)效率，減少使用維修成本。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種適用于涂覆大面積低溫處理工件表面的復合類金剛石碳膜及其制備方法。

本發(fā)明所述的復合類金剛石碳膜，包括cr、ti或cr和ti合金打底層，crc、tic或crc和tic合金過渡層，以及dlc-1層和dlc-2層，主要技術特征在于，按原子數(shù)百分比計，所述dlc-1層含有sp3雜化的碳原子數(shù)占20～40％，所述dlc-2層含有sp3雜化的碳原子數(shù)占0～15％。其中，所述cr、ti或cr和ti合金層用于改善涂層與基體的結(jié)合情況，crc、tic或crc和tic合金過渡層結(jié)構(gòu)可以為后續(xù)dlc涂層提供良好的沉膜環(huán)境，dlc-1層可以提供高的硬度和低的摩擦系數(shù)，而dlc-2可以起到很好的固體潤滑作用，這種組合可以提供優(yōu)良的摩擦學性能。與現(xiàn)有技術dlc膜相比較，本發(fā)明所述dlc膜層分dlc-1層和dlc-2層，按原子數(shù)百分比計，其中dlc-1層含有sp3雜化的碳原子數(shù)占20～40％，使得dlc膜具有較高的硬度，表現(xiàn)出耐摩擦抗磨損性能；dlc-2層含有sp3雜化的碳原子數(shù)占0～15％，因此sp2雜化碳原子數(shù)含量較大，從而使得dlc-2層碳膜表現(xiàn)出極高的固體潤滑性，dlc膜表面潤滑性高，能有效地減少基體表面摩擦系數(shù)。因此，dlc-1和dlc-2層的疊加能夠?qū)崿F(xiàn)比現(xiàn)有技術dlc膜更優(yōu)異的減摩耐磨性能；此外，dlc-1和dlc-2層的疊加結(jié)構(gòu)還有利于在制備過程中減少dlc膜層的內(nèi)應力，其機理見后敘制備方法。

本發(fā)明所述復合類金剛石碳膜的進一步技術方案為：所述cr、ti或cr和ti合金打底層的厚度為300～800nm，crc、tic或crc和tic合金過渡層的厚度為200～500nm，dlc-1層的厚度為0.5～2μm，dlc-2層的厚度為200～500nm。dlc-1層含有sp3雜化的碳原子數(shù)占20～40％，相對硬度較高，dlc-2層含有sp3雜化的碳原子數(shù)僅占0～15％，這一層主要是含有sp2雜化的碳原子結(jié)構(gòu)，具有良好的自潤滑性能，可以有效降低摩擦系數(shù)，但其硬度較dlc-1層要低很多，所以具體實施過程中，可根據(jù)備件加工需求來調(diào)整各涂層的厚度，以滿足工件硬度和耐磨性要求。

本發(fā)明所述復合類金剛石碳膜的制備方法為：所述的cr、ti或cr和ti合金層和crc、tic或crc和tic合金過渡層由中頻磁控濺射獲得，相較于多弧的方法，磁控濺射獲得涂層表面更佳光滑；dlc-1層和dlc-2層由線性大面積離子源電離乙炔氣體獲得，本發(fā)明所采用的大面積線性離子源技術，利用高的場強，可以有效的電離乙炔氣體，相較于磁控濺射碳靶技術，可以獲得純度更高、sp3雜化更多的類金剛石膜層?，F(xiàn)有技術磁控濺射石墨靶，存在把靶上的一些污染源也濺射沉積到工件上的可能性，而大面積線性離子源技術可以避免上述污染源，獲得純度更高的dlc膜；同時，采用大面積線性離子源電離乙炔技術可以獲得相對更多的sp3雜化碳原子，從而增強dlc膜的硬度。

本發(fā)明所述復合類金剛石碳膜的制備方法，具體包括以下步驟：

(1)將基體清洗干凈放入真空轉(zhuǎn)架上，打開線性離子源電離氬氣，在負偏壓的牽引下對基材表面進行轟擊清洗；

(2)開啟中頻金屬cr或ti靶，對基材進行金屬離子轟擊，再進行打底cr、ti或cr和ti合金層沉積，隨后進行沉積crc、tic或crc和tic合金過渡層；

(3)打開大面積線性離子源進行dlc-1層和dlc-2層的沉積。

所述基體為160℃～220℃回火，硬度為hrc57～62的合金鋼基材。

所述步驟(1)中，基材轟擊的條件為：本底真空度為5×10^-4～8×10^-3pa，基體溫度為120～180℃，通入氬氣控制氣壓在5×10^-2～2×10^-1pa，線性離子源的電壓為1200～2000v，負偏壓為-300～-1000v，轟擊10～30分鐘。

所述步驟(2)中，氬離子轟擊后，關閉線性離子源，打開中頻磁控，電流設為2～10a，真空度增加到2×10^-1～1pa，負偏壓保持在-400～-1000v，開啟中頻金屬cr或ti靶對基材轟擊1～10分鐘；轟擊完后，偏壓降到-50～-200v，中頻電流增加到6～15a，其他條件保持不變，開始沉積cr、ti或cr和ti合金層，沉積30～100分鐘，厚度為300～800nm；打完底后，關閉氬氣，通入20～50sccm乙炔，沉積crc層20～60分鐘，沉積厚度200～500nm。

所述步驟(3)中，溫度保持在120～180℃，通入20～50sccm乙炔，真空爐內(nèi)真空度維持在5×10^-2～2×10^-1pa，線性離子源電壓設為1200～1800v，偏壓為-300～-800v，沉積60～100分鐘，然后關閉乙炔氣體，通入氬氣，壓強保持在5×10^-2～2×10^-1pa，偏壓為-500～-800v，用氬離子轟擊表面5～20分鐘，轟擊完后，再關閉氬氣，通入乙炔，繼續(xù)沉積dlc-1層60～100分鐘；dlc-1沉積完后，關閉乙炔氣體，通入氬氣，壓強保持在5×10^-2～2×10^-1pa，偏壓為-500～-800v，用氬離子轟擊表面5～20分鐘，隨后將電壓增加到1500～2000v，關閉氬氣，通入5×10^-2～2×10^-1pa的乙炔，沉積40～100分鐘，沉積厚度200～500nm。

上述步驟(3)中，在dlc-1沉積期間和沉積dlc-2前的氬離子轟擊，可以達到降低涂層內(nèi)應力的效果，從而可以實現(xiàn)大面積表面涂覆多層復合類金剛石碳膜；由于涂層在形核成長的過程中，必然會引入拉應力，而氬離子轟擊：一方面可以將結(jié)合不好的涂層轟掉，另一方面也會引入壓應力，從而抵消涂層自身的拉應力，達到降低涂層內(nèi)應力的效果。

本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術的dlc膜應用于大面積涂覆時，存在內(nèi)應力較高易從大面積低溫處理工件基材表面剝離的問題，本發(fā)明制備方法形成的復合dlc膜相對現(xiàn)有技術dlc膜具有更優(yōu)越的附著性和更低的摩擦系數(shù)，同時在很大程度上降低了膜的內(nèi)應力，從而能夠?qū)崿F(xiàn)dlc膜的大面積涂覆。

附圖說明

圖1為本發(fā)明表示實施例中的基材及復合類金剛石碳膜的截面結(jié)構(gòu)圖。

1、基體2、多層復合碳膜

21、cr、ti或cr和ti合金層22、，crc、tic或crc和tic合金過渡層

23、dlc-1層24、dlc-2層

具體實施方式

下面對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例是在本發(fā)明技術方案前提下實施的，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述實施例。

以gcr15活塞表面處理為例：

1、首先用超聲清洗線對gcr15活塞進行徹底地清潔處理，然后裝卡在工件轉(zhuǎn)架上；

2、通過泵組系統(tǒng)將真空室本底真空抽至5～8×10-3pa，開始加熱，設置加熱溫度150℃，并保溫1～1.5小時。通入氬氣，壓強升至1.5×10-1pa，打開線性離子源電源，對基材表面進行轟擊清洗，電壓設為1400～1500v，占空比50％，偏壓為-400～-600v，占空比為40％，轟擊10～20分鐘；

3、氬離子轟擊完后，關閉線性離子源，打開中頻磁控，電流設為6～8a，真空度增加到5～6×10-1pa，負偏壓保持在-600v，占空比為40％，開啟中頻金屬cr靶對基材轟擊2～3分鐘；之后偏壓降到-150v，占空比設為80％，中頻電流增加到10a，沉積60分鐘，獲得厚度約為600nm的打底cr層；

4、打底完成后，關閉氬氣，通入30～40sccm乙炔，沉積crc層40分鐘，得到厚度大約為300nm的crc層；

5、crc層沉積結(jié)束后，關閉中頻電源，溫度保持在150℃，通入30～40sccm乙炔，真空度為1.0～1.5×10-1pa，線性離子源電壓設為1600v，占空比80％，偏壓為-500v，占空比80％，沉積80分鐘，然后關閉乙炔氣體，通入30～40sccm氬氣，壓強保持在1.0～1.5×10-1pa，偏壓為-600～-700v，占空比40％，用氬離子轟擊表面10分鐘，轟擊完后，再關閉氬氣，通入30～40sccm乙炔，偏壓降到-500v，占空比80％，繼續(xù)沉積60分鐘形成dlc-1層；

6、然后關閉乙炔氣體，通入氬氣，壓強保持在1.0～1.5×10-1pa，偏壓為-600～-700v，占空比40％，用氬離子轟擊表面10分鐘，隨后將電壓增加到2000v，關閉氬氣，通入5×10-2～2×10-1pa的乙炔，偏壓調(diào)到-500v，占空比80％，沉積40分鐘形成dlc-2層。

總共沉積時間為280分鐘，得到厚度為2～2.5μm的多層復合類金剛石碳膜。

該實施例通過采用本發(fā)明制備方法獲得的復合dlc膜，在現(xiàn)有技術基礎上不僅提高了膜基結(jié)合力，降低了dlc膜層的內(nèi)應力，與現(xiàn)有技術相比具有更優(yōu)越的附著性和更低的摩擦系數(shù)以及更好的耐磨性，從而提高了大型液壓破碎錘活塞部件的使用壽命和工作穩(wěn)定性，降低了使用維修成本。