一種類(lèi)金剛石薄膜的磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于物理氣相沉積領(lǐng)域，涉及一種類(lèi)金剛石薄膜的磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置，可以用于金屬薄膜、氮化物薄膜和碳化物薄膜的生長(zhǎng)。
【背景技術(shù)】
[0002]類(lèi)金剛石碳膜具有許多與金剛石相似的性能，如高硬度、低摩擦系數(shù)、高耐磨性以及良好的化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性、電絕緣性、光透過(guò)性和生物相容性等，其作為新型功能薄膜材料，在許多領(lǐng)域都有著巨大的應(yīng)用前景。此外，相對(duì)于金剛石薄膜，類(lèi)金剛石碳膜又具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，如沉積溫度低、沉積面積大、沉積條件簡(jiǎn)單、膜面平整光滑等，使得金剛石薄膜并不能完全取代它，特別是在某些要求沉積溫度低、膜面粗糙度小的場(chǎng)合。
[0003]近年來(lái)，隨著國(guó)IV、國(guó)V標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，國(guó)內(nèi)零配件企業(yè)面臨技術(shù)落后、競(jìng)爭(zhēng)力欠缺等困境。內(nèi)燃機(jī)工業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃指出：〃提高核心零部件制造企業(yè)的自主創(chuàng)新能力和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力是行業(yè)當(dāng)前面臨的首要問(wèn)題〃。"節(jié)能與新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃"也提出了突破低阻零部件等技術(shù)，大幅提高發(fā)動(dòng)機(jī)水平。通過(guò)采用低摩擦技術(shù)，短期內(nèi)可提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率20%，而未來(lái)15-25年內(nèi)可提高到60%以上。
[0004]一般，發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行階段處于全膜潤(rùn)滑，即液體潤(rùn)滑，而在低速或運(yùn)行停止階段時(shí)處于混合、邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件失效大量與摩擦磨損有關(guān)，主要體現(xiàn)在高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)柱塞偶件、氣門(mén)挺柱、挺桿、活塞環(huán)、活塞銷(xiāo)、凸輪軸等摩擦副上。摩擦副元件兩金屬表面相互摩擦，由于彼此粗糙度和硬度有別或受到游離堅(jiān)硬顆粒在其間滑動(dòng)引起會(huì)引起元件的磨料磨損；摩擦副兩摩擦表面在交變剪切應(yīng)力反復(fù)或長(zhǎng)期作用下，達(dá)到或超過(guò)表面材料持久極限強(qiáng)度后，會(huì)導(dǎo)致元件產(chǎn)生疲勞磨損；如，高壓共軌燃油噴射系統(tǒng)往往工作壓力高、流量大，摩擦副間溫度較高，導(dǎo)致這些摩擦副之間多處于半流體潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，在摩擦條件趨向苛刻的過(guò)程中，一旦潤(rùn)滑表面不能形成連續(xù)油膜或油膜破裂時(shí)，就造成摩擦表面的直接接觸即干摩擦，零件接觸面間摩擦阻力增大，零件表面層溫度進(jìn)一步升高，嚴(yán)重時(shí)零件表層金屬軟化，導(dǎo)致粘著磨損的發(fā)生。因此，單純依賴(lài)液體潤(rùn)滑難以滿足高技術(shù)重型柴油機(jī)運(yùn)動(dòng)部件摩擦副的潤(rùn)滑需要。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，迫切需要研究和發(fā)展具有超低摩擦、低磨損、高承載、高可靠性、長(zhǎng)壽命、多環(huán)境適應(yīng)性等特性的新一代高性能低摩擦固體潤(rùn)滑材料。
[0005]作為一類(lèi)優(yōu)秀的固體潤(rùn)滑薄膜，類(lèi)金剛石碳膜在汽車(chē)領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的技術(shù)應(yīng)用，在不能進(jìn)行油潤(rùn)滑的燃油這種嚴(yán)酷滑動(dòng)環(huán)境中，為改善耐磨性可采用類(lèi)金剛石碳膜。
[0006]但是，由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境苛刻，現(xiàn)有的類(lèi)金剛石碳膜內(nèi)應(yīng)力大、與鋼附著力不好、機(jī)械性能差、在外力作用下容易剝落，不能滿足發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境的要求。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007]本實(shí)用新型的目的在于提供一種與基底結(jié)合牢固、摩擦系數(shù)低、耐磨性能強(qiáng)的類(lèi)金剛石薄膜的磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置。
[0008]一種類(lèi)金剛石薄膜的磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置，該裝置包括磁控濺射靶，其特征在于所述磁控濺射靶前設(shè)有磁靴，其中磁靴由一對(duì)磁場(chǎng)相反的電磁鐵組成，磁靴產(chǎn)生的磁場(chǎng)平行于磁控濺射靶的靶面。
[0009]所述磁靴產(chǎn)生的電磁場(chǎng)由恒流電源供電。
[0010]所述磁控濺射靶為金屬靶。
[0011]所述金屬靶為鈦、鉻、鉬或鈮靶。
[0012]所述磁控濺射靶所用電源為直流、交流、中頻脈沖、直流脈沖、或高功率脈沖電源。
[0013]使用上述裝置制備類(lèi)金剛石薄膜的方法，其特征在于：將基底、磁靴、磁控濺射靶置于真空腔體中，抽真空開(kāi)始充氣鍍膜；開(kāi)啟磁控濺射靶，開(kāi)啟磁靴，基底在腔內(nèi)做行星公轉(zhuǎn)，首先制備金屬粘結(jié)層；在氮?dú)夂蜌鍤饣旌蠚夥障?，調(diào)節(jié)氣體流量比，制備一層金屬氮化物強(qiáng)化層；通入甲烷或者乙炔氣體，隨著反應(yīng)氣體的增加，依次形成碳氮化金屬層、金屬摻雜的碳氮層及氮摻雜的類(lèi)金剛石薄膜。
[0014]本實(shí)用新型的基本思想是磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置，通過(guò)調(diào)整磁靴的場(chǎng)強(qiáng)來(lái)增強(qiáng)磁控濺射的離化率和離子能量，實(shí)現(xiàn)多層復(fù)合類(lèi)金剛石碳膜與基底結(jié)合牢固、摩擦系數(shù)低、耐磨性能強(qiáng)的方法。
[0015]本實(shí)用新型對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：
[0016]1、使用平行于磁控濺射靶的額外磁場(chǎng)增加了等離子體密度和靶材離化率。
[0017]2、具磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置可以有效提高類(lèi)金剛石薄膜的結(jié)合力。
[0018]本實(shí)用新型對(duì)比現(xiàn)有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：
[0019]I、磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置離化率可以由原來(lái)的10%提高到60%。
[0020]2、具磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置提高了磁控濺射的鍍膜窗口和工藝的穩(wěn)定性。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖I為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為本實(shí)用新型制備的薄膜的結(jié)合力測(cè)試圖。
[0023]圖中：I-磁控濺射靶2-鍍膜區(qū)域3-磁靴。
【具體實(shí)施方式】
[0024]實(shí)施例I
[0025]如圖I所示，一種類(lèi)金剛石薄膜的磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置，該裝置包括磁控濺射靶I，磁控濺射靶I前設(shè)有磁靴3，其中磁靴3由一對(duì)磁場(chǎng)相反的電磁鐵組成，磁靴3產(chǎn)生的磁場(chǎng)平行于磁控濺射靶I的靶面。
[0026]磁靴3產(chǎn)生的電磁場(chǎng)由恒流電源供電。
[0027]磁控濺射靶I為金屬靶。
[0028]金屬靶為鈦、鉻、鉬或鈮靶。
[0029]磁控濺射靶I所用電源為直流、交流、中頻脈沖、直流脈沖、或高功率脈沖電源。
[0030]使用上述裝置制備類(lèi)金剛石薄膜的方法，將基底、磁靴3、磁控濺射靶I置于真空腔體中，抽真空開(kāi)始充氣鍍膜；開(kāi)啟磁控濺射靶1，開(kāi)啟磁靴3，基底在腔內(nèi)做行星公轉(zhuǎn)，首先制備金屬粘結(jié)層；在氮?dú)夂蜌鍤饣旌蠚夥障?，調(diào)節(jié)氣體流量比，制備一層金屬氮化物強(qiáng)化層；通入甲烷或者乙炔氣體，隨著反應(yīng)氣體的增加，依次形成碳氮化金屬層、金屬摻雜的碳氮層及氮摻雜的類(lèi)金剛石薄膜。
[0031]實(shí)施例2
[0032]采用圖I所示裝置實(shí)現(xiàn)結(jié)合牢固、摩擦系數(shù)低、耐磨性能強(qiáng)的多層復(fù)合類(lèi)金剛石碳膜的制備；
[0033]1、常規(guī)的清洗：除油、除銹、烘干放進(jìn)真空室；
[0034]2、當(dāng)背底真空達(dá)到I X 10 4時(shí)開(kāi)始鍍膜，用氬離子轟擊清洗，氬氣控制在O. 6-5Pa，偏壓800-1000V，導(dǎo)通比O. 2-0. 8，頻率10_50KHz，清洗10分鐘；
[0035]3、打開(kāi)磁控濺射鈦靶，電流9A，占空比O. 6-0. 8，頻率10_20KHz，偏壓設(shè)置為400-600V，導(dǎo)通比O. 4-0. 6，頻率10-5000 Hz，氬氣O. 4_2Pa ;沉積10-20分鐘;電磁線圈電流IOA ;沉積金屬100-200納米；
[0036]4、沉積氮化物層，磁控電流9A，氮?dú)夂蜌鍤獗壤齀 :2，偏壓150V，導(dǎo)通比O. 6，頻率5000 Hz ;電磁線圈電流IOA ;沉積氮化金屬300納米；
[0037]5、沉積碳氮化金屬/金屬摻雜碳氮層，磁控電流9A，氮?dú)夂蜌鍤獗壤齀 :2，偏壓150V,導(dǎo)通比O. 6，頻率5000 Hz ；電磁線圈電流IOA ;甲烷氣體40分鐘從IOsccm調(diào)整到250sccm,沉積厚度500納米；
[0038]6、關(guān)機(jī)冷卻后得到多層復(fù)合類(lèi)金剛石碳膜，呈黑色，結(jié)合力測(cè)試50N，滿足工業(yè)需求，所述方法制備的涂層具有高結(jié)合力、超韌的特性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種類(lèi)金剛石薄膜的磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置，該裝置包括磁控濺射靶（I )，其特征在于所述磁控濺射靶（I)前設(shè)有磁靴（3)，其中磁靴（3)由一對(duì)磁場(chǎng)相反的電磁鐵組成，磁靴（3)產(chǎn)生的磁場(chǎng)平行于磁控濺射靶（I)的靶面。2.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述磁靴（3)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)由恒流電源供電。3.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述磁控濺射靶（I)為金屬靶。4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于所述金屬靶為鈦、鉻、鉬或鈮靶。5.如權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于所述磁控濺射靶（I)所用電源為直流、交流、中頻脈沖、直流脈沖、或高功率脈沖電源。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型屬于物理氣相沉積領(lǐng)域,公開(kāi)了一種類(lèi)金剛石薄膜的磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置，該裝置包括磁控濺射靶，磁控濺射靶前設(shè)有磁靴，其中磁靴由一對(duì)磁場(chǎng)相反的電磁鐵組成，磁靴產(chǎn)生的磁場(chǎng)平行于磁控濺射靶的靶面。本實(shí)用新型磁靴增強(qiáng)磁控濺射鍍膜裝置離化率可以由原來(lái)的10%提高到60%。
【IPC分類(lèi)】C23C14/06, C23C14/35
【公開(kāi)號(hào)】CN205152321
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520837488
【發(fā)明人】張斌, 張俊彥, 高凱雄, 強(qiáng)力
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所
【公開(kāi)日】2016年4月13日
【申請(qǐng)日】2015年10月27日