一種pvd與hipims工業(yè)化制備超硬dlc碳涂層方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超硬DLC碳涂層技術(shù)設(shè)備領(lǐng)域，特別涉及一種PVD與HIP頂S工業(yè)化制備超硬DLC碳涂層方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]采用表面PVD (物理氣相沉積Physical Vapor Deposit1n)涂層能大幅度地改善和提高工件的表面性能，如硬度、耐磨性、抗摩擦性、耐腐蝕性等，提高工件型腔表面抗擦傷、抗咬合等特殊性能。PVD涂層已經(jīng)成為絕大多數(shù)工件提高壽命和效率不可缺少的手段并被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，已經(jīng)取得了良好的效果。PVD進(jìn)行涂層時(shí)必須考慮工件材料、熱處理、被加工材料、成型方式等不同情況，否則會(huì)影響涂層性能，造成資源浪費(fèi)，所以研究各類鋼工件表面PVD涂層方法與處理工藝顯得尤為重要。
[0003]類金剛石膜涂層(Diamond-like Carbon),簡(jiǎn)稱DLC涂層；類金剛石(DLC)薄膜是一種含有一定量金剛石鍵(sp2和sp3)的非晶碳的亞穩(wěn)類的薄膜，所以碳可以形成不同晶體的和無序的結(jié)構(gòu)。DLC碳膜可以被摻雜不同的元素得到摻雜的DLC(N-DLC)薄膜，因而有諸多與金剛石膜相似的性能。類金剛石(DLC)膜具有許多與金剛石相似或相近的優(yōu)良性能，如硬度高、彈性模量高、摩擦系數(shù)低、生物相溶性好、聲學(xué)性能好、電學(xué)性能佳等。DLC薄膜發(fā)展到今天，已經(jīng)為越來越多的研究者和工業(yè)界所熟知和關(guān)注，在工業(yè)各領(lǐng)域都有極大的應(yīng)用前景。目前DLC薄膜已經(jīng)在航空航天、精密機(jī)械、微電子機(jī)械裝置、磁盤存儲(chǔ)器、汽車零部件、光學(xué)器材和生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，是具有重要應(yīng)用前景的高性能的無機(jī)非金屬薄膜材料。
[0004]美國(guó)已經(jīng)將類金剛石薄膜材料作為21世紀(jì)的戰(zhàn)略材料之一，業(yè)界類金剛石膜的研究、開發(fā)、制備及應(yīng)用正向深度和廣度推進(jìn)，類金剛石制備的方法很多:如離子束輔助沉積、磁控濺射、真空陰極電弧沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積、離子注入法等；但不同的制備方法，DLC膜的成分、結(jié)構(gòu)和性能有很大的差別，現(xiàn)有技術(shù)中高功率脈沖磁控濺射靶(highpower impuls magnetron sputter),簡(jiǎn)稱HIPIMS與PVD技術(shù)存在的不足是:1、難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化質(zhì)優(yōu)的DLC膜的制備與應(yīng)用，大多數(shù)沉積設(shè)備或裝置屬于實(shí)驗(yàn)室原型設(shè)備，制備成本高；還無法工業(yè)化大批量生產(chǎn)，產(chǎn)業(yè)化程度低；2、制備的DLC涂層質(zhì)量不穩(wěn)定，涂層附著力差，膜層厚度極其微薄(I P m左右)，無法滿足高運(yùn)動(dòng)付，高頻率摩擦的狹窄工件表面涂層DLC的質(zhì)量要求；3、簡(jiǎn)單DLC涂層在硬度、摩擦性能、磨損性能方面兼容性能不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決如上現(xiàn)有碳薄膜DLC涂層沉積中的系列問題，本發(fā)明提供了一種PVD與HIPIMS工業(yè)化制備超硬DLC碳涂層方法及裝置，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明采用高能量離子植入技術(shù)增加涂層在工件表面的結(jié)合力，離子植入工件表面以下28納米深度，采用多層不同硬度的碳膜進(jìn)行復(fù)合生長(zhǎng)從而得到光滑與表面摩擦性能優(yōu)異的碳薄膜DLC涂層；實(shí)現(xiàn)工件表面的超硬度類金剛石涂層設(shè)備，并使涂層具有高附著力，超高硬度，高耐摩擦性能，高耐磨損性能和高自潤(rùn)滑性能。
[0006]本發(fā)明所呈現(xiàn)的是一種目前為止所知道與使用的技術(shù)中可以避免如上所概述的碳基類金剛石涂層缺陷沉積方法.所述碳基類金剛石涂層具備如下特征:碳基薄膜涂層的維氏硬度40-80GPa，摩擦系數(shù)〈0.1，氫含量7-11%，D/G>0.6 ;所述碳基類金剛石涂層正因?yàn)榫哂羞@些超常特性，才援引出“超硬”碳基類金剛石DLC涂層的概念。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種PVD與HIP頂S工業(yè)化制備超硬DLC碳涂層裝置，簡(jiǎn)稱涂層裝置，包括涂層室、真空腔體、操作控制器、前倉(cāng)門、后倉(cāng)門、非平衡磁控陰極、高功率脈沖磁控陰極、靶材擋板、工件基體、中心陽極、真空機(jī)械泵、分子泵、冷熱水控制箱、功能氣體分配箱、陰極靶材隔柵、腔體加熱器、三維旋轉(zhuǎn)架、靶材A電源柜、靶材B電源柜、靶材C電源柜、靶材D電源柜、HIPIMS電源柜、偏壓電源柜、控制系統(tǒng)弱電柜、陽極電源、上下料運(yùn)輸車、運(yùn)輸車軌道、HIP頂S磁過濾器，其特征在于:
[0008]所述高功率脈沖磁控陰極(high power impuls magnetron sputter),簡(jiǎn)稱為HIPIMS ;所述非平衡磁控陰極，簡(jiǎn)稱為UBM ;所述涂層裝置，由涂層室、操作控制器、真空機(jī)械泵、分子泵、冷熱水控制箱、功能氣體分配箱、腔體加熱器、三維旋轉(zhuǎn)架、電源系統(tǒng)、上下料裝置組成；所述涂層室焊接固定在設(shè)備框架上，所述設(shè)備框架為矩形不銹鋼方通焊接結(jié)構(gòu)，所述涂層室包括真空腔體、前倉(cāng)門、后倉(cāng)門；所述真空腔體為八面體不銹鋼筒形雙層結(jié)構(gòu)，所述前倉(cāng)門和后倉(cāng)門分別設(shè)置于所述真空腔體的前面和后面，所述前倉(cāng)門和后倉(cāng)門的截面為三折板式，所述前、后倉(cāng)門跨度占用所述八面體的三個(gè)相鄰面，所述前倉(cāng)門通過鉸鏈固定連接于所述真空腔體的右側(cè)面下邊緣上，所述后倉(cāng)門通過鉸鏈固定連接于所述真空腔體的右側(cè)面上邊緣上，所述前倉(cāng)門和所述后倉(cāng)門均向右側(cè)開門設(shè)置，并與所述真空腔體密封連接；所述真空腔體的頂部中心設(shè)置有中心陽極，所述真空腔體的底面設(shè)置有三維旋轉(zhuǎn)架，所述三維旋轉(zhuǎn)架上設(shè)置有工件基體，所述真空腔體內(nèi)部設(shè)置有四個(gè)UBM，所述四個(gè)UBM分別裝配在所述真空腔體內(nèi)八面體的左上面、左下面、右上面、右下面位置，所述UBM靠近內(nèi)側(cè)面設(shè)置，所述UBM前方設(shè)置有陰極靶材隔柵；所述真空腔體左側(cè)面外面設(shè)置有HIP頂S，所述HIPIMS與所述真空腔體之間設(shè)置有HIP頂S磁過濾器；所述真空腔體內(nèi)部上側(cè)面和下側(cè)面，各設(shè)置有一組腔體加熱器；所述真空腔體右側(cè)面設(shè)置有真空接口，所述真空接口通過管道與真空機(jī)械泵、分子泵連通，所述真空腔體的雙層結(jié)構(gòu)通過管道與冷熱水控制箱連通，所述真空腔體底面開設(shè)有氣體接口，所述氣體接口與功能氣體分配箱連通；所述電源系統(tǒng)包括靶材A電源柜、靶材B電源柜、靶材C電源柜、靶材D電源柜、HIPIMS電源柜、偏壓電源柜、控制系統(tǒng)弱電柜、陽極電源；所述電源系統(tǒng)與所述操作控制器電氣連接，所述操作控制器與所述四個(gè)UBM、HIP頂S、真空機(jī)械泵、分子泵、冷熱水控制箱、功能氣體分配箱、腔體加熱器、三維旋轉(zhuǎn)架驅(qū)動(dòng)電機(jī)電氣連接；所述前倉(cāng)門外側(cè)設(shè)置有上下料裝置，所述上下料裝置由上下料運(yùn)輸車和運(yùn)輸車軌道構(gòu)成。
[0009]所述電源系統(tǒng)集成為一體式電源柜，所述電源柜上方設(shè)置為操作控制器。
[0010]所述三維旋轉(zhuǎn)架由所述真空腔體底下的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所述三維旋轉(zhuǎn)架與所述電機(jī)密封軸連接；所述三維旋轉(zhuǎn)架上設(shè)置有多個(gè)衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)支架，所述衛(wèi)星支架與所述三維旋轉(zhuǎn)架通過齒輪齒接，所述衛(wèi)星旋轉(zhuǎn)支架隨著三維旋轉(zhuǎn)架同步轉(zhuǎn)動(dòng)，所述衛(wèi)星支架上設(shè)置有多層工件基體。
[0011]所述UBM由多塊永磁體并列裝配而成，所述永磁體的磁極交替方式排列，所述永磁體外側(cè)繞制的線圈繞組，所述各個(gè)UBM與所述HIP頂S的磁力線，在所述真空腔體內(nèi)部構(gòu)成閉合磁場(chǎng)。
[0012]所述UBM和所述HIP頂S內(nèi)設(shè)置有冷卻通道，所述冷卻通道與所述冷熱水控制箱連通。
[0013]所述功能氣體分配箱與氮?dú)?、氬氣、乙炔氣源通過管道連通，所述功能氣體分配箱內(nèi)設(shè)置有調(diào)節(jié)閥門和流量計(jì)。
[0014]一種PVD與HIP頂S制備超硬DLC涂層方法，簡(jiǎn)稱涂層方法:
[0015]1、啟動(dòng)涂層設(shè)備:初始化參數(shù)設(shè)置；
[0016]2、抽真空，開啟機(jī)械真空泵、分子泵；開始腔體加熱器加熱；
[0017]3、靶材清洗，對(duì)靶材表面進(jìn)行離子轟擊清洗；
[0018]4、短時(shí)間氬離子轟擊，通入氬氣，對(duì)工件基體表面進(jìn)行轟擊清洗；
[0019]5、脈沖磁控濺射，啟動(dòng)HIP頂S的WC陰極靶，設(shè)置偏壓為-800伏特，濺射時(shí)間為5—1分鐘；
[0020]6、脈沖磁控濺射制備WC中間層，通過HIP頂S的WC陰極靶，對(duì)工件基體表面涂層制備WC中間層；
[0021]7、UBM與HIP頂S磁控濺射，制備WC中間層，偏壓-175伏特，時(shí)間5—10分鐘；
[0022]8、非平衡磁控濺射，制備C-DLC涂層，設(shè)置偏壓為_150伏特，控制電流密度為1W/cm2 ;控制乙炔氣體流量為30sccm—160sccm ；
[0023]9、非平衡磁控濺射，制備軟質(zhì)涂層，設(shè)置偏壓為-