專(zhuān)利名稱(chēng)：一種提高鎂合金抗磨損性能的碳膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高鎂合金抗腐蝕性能和抗磨損性能的保護(hù)薄膜及其制備方法。
背景技術(shù)：
鎂合金具有密度小，比強(qiáng)度、比剛度高、鑄造性好，可循環(huán)再利用等優(yōu)點(diǎn)，在能源、 交通、航空航天、機(jī)械，電子等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。但鎂合金存在的抗摩擦磨損性 能差、耐腐蝕性差、硬度低等幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，使其廣泛應(yīng)用受到極大制約。除了微弧氧化、陽(yáng) 極氧化等傳統(tǒng)表面處理技術(shù)，采用綠色、干式、無(wú)毒的真空鍍膜技術(shù)，在鎂合金表面沉積一 層硬質(zhì)耐磨防護(hù)涂層是目前解決上述關(guān)鍵問(wèn)題的最理想技術(shù)途徑。 與傳統(tǒng)硬質(zhì)耐磨防護(hù)涂層相比，類(lèi)金剛石(Diamond-like carbon, DLC)薄膜是具 有高硬度、低摩擦系數(shù)、良好耐腐蝕性和耐磨損性等諸多優(yōu)點(diǎn)的新型硬質(zhì)保護(hù)涂層材料，在 機(jī)械、微機(jī)電、工模具、航空航天等領(lǐng)域已顯示了重要應(yīng)用前景和價(jià)值。尤其因其表現(xiàn)出的 極低摩擦系數(shù)、良好耐磨損性和化學(xué)惰性，在鎂合金材料表面開(kāi)展類(lèi)金剛石薄膜材料制備 技術(shù)的研究，被認(rèn)為是改善鎂合金耐磨損性差和耐腐蝕性，提高其使用壽命和可靠性運(yùn)行 的理想方法之一。然而，目前有關(guān)此方面的研發(fā)工作還非常少?？紤]到類(lèi)金剛石薄膜制備 過(guò)程中因高能離子轟擊而導(dǎo)致薄膜中存在的高殘余壓應(yīng)力，以及薄膜與軟基材鎂合金之間 晶格參數(shù)、物化特性的較大差異，類(lèi)金剛石薄膜與鎂合金基材間的結(jié)合力往往很差，這一方 面導(dǎo)致薄膜容易剝落，保護(hù)功能失效；一方面也導(dǎo)致厚膜生長(zhǎng)難以獲得。如何從制備技術(shù)和 涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)膜/基結(jié)合力、高硬度、低摩擦系數(shù)的鎂合金用類(lèi)金剛石薄膜制 備是目前亟需解決的技術(shù)關(guān)鍵。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種應(yīng)力低、在鎂合 金上具有較高的附著力的碳膜。 本發(fā)明所要解決的第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)提供一種應(yīng)力低、在鎂合 金上具有較高的附著力的碳膜的制備方法。 本發(fā)明解決上述第一個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該提高鎂合金抗磨損性能 的碳膜，其特征在于該碳膜為類(lèi)金剛石薄膜，并且該類(lèi)金剛石薄膜中含有原子百分比為 2% 10%的金屬元素。
所述金屬元素為鈦或鉻或鎢。 本發(fā)明解決上述第二個(gè)技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為該提高鎂合金抗磨損性 能的碳膜的制備方法，采用磁控濺射與離子束濺射復(fù)合鍍膜機(jī)進(jìn)行所述類(lèi)金剛石薄膜的制 備，該磁控濺射與離子束濺射復(fù)合鍍膜機(jī)包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和能同時(shí)公 轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的工件托架，工件托架安裝在真空室內(nèi)部，其特征在于在所述真空室的氣壓大于 等于2X10—STorr，溫度小于等于IO(TC情況下，通過(guò)以下步驟制備所述類(lèi)金剛石薄膜
步驟一、清洗基體將基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓調(diào)整到2X10—、orr，開(kāi)啟線性離子源，向線性離子源通入30 50sccm氬氣，線性離子束源工作電 流為0. 2A，工作功率為260 300W，同時(shí)將基體的負(fù)偏壓設(shè)為100 300V，工作時(shí)間為20 分鐘； 步驟二、在基體表面沉積類(lèi)金剛石薄膜同時(shí)開(kāi)啟線性離子束源和磁控濺射源，磁 控濺射源為純度大于等于99. 99%的單質(zhì)鉻靶或純度大于等于99. 99%的單質(zhì)鈦靶或純度 大于等于99. 99%的單質(zhì)鎢靶，向線性離子源通入CH4或C2H2等碳?xì)錃怏w，氣體流量為25 35sccm，，線性離子束源工作電流為0. 2A，工作功率為280 320W ;向磁控濺射源通入50 60sccm氬氣，磁控濺射功率為1 1. 5KW，工作電流為3A ;通過(guò)改變碳?xì)錃怏w與氬氣的比 例，來(lái)控制薄膜中金屬元素的摻雜量，使該類(lèi)金剛石薄膜中金屬元素的原子百分比為2% 10%，同時(shí)將基體的負(fù)偏壓設(shè)為50 IOOV，工作氣壓設(shè)為4. 5X10—^orr，沉積時(shí)間為1 2小時(shí)； 步驟三、待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室腔體，取出基體，該基體表面即為所
述類(lèi)金剛石薄膜。 所述基體為鎂合金基體。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于在類(lèi)金剛石薄膜中引入微量金屬元素，在極 大降低薄膜內(nèi)應(yīng)力同時(shí)，對(duì)類(lèi)金剛石薄膜硬度損傷較小，可以較大提高類(lèi)金剛石薄膜與鎂 合金基體的附著力和鎂合金的耐磨損壽命。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例一中提高鎂合金抗磨損性能的碳膜的制備方法流程圖。
圖2為使用本發(fā)明實(shí)施例一中方法在鎂合金表面制備類(lèi)金剛石薄膜和沒(méi)有鍍膜 的鎂合金的摩擦系數(shù)隨摩擦距離變化關(guān)系圖。 圖3為經(jīng)過(guò)摩擦測(cè)試后，使用本發(fā)明實(shí)施例一中方法鍍膜后的鎂合金與沒(méi)有鍍膜 的鎂合金表面的磨損深度對(duì)比圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。 本發(fā)明首先提供了一種提高鎂合金抗磨損性能的碳膜，該碳膜為類(lèi)金剛石薄膜， 并且該類(lèi)金剛石薄膜中含有原子百分比為2% 10%的金屬元素，這里的金屬可以是鈦 Ti，也可以是鉻Cr，也可以是鴇W。
上述類(lèi)碳膜的制備方法實(shí)施例一 采用磁控濺射與離子束濺射復(fù)合鍍膜機(jī)進(jìn)行所述類(lèi)金剛石薄膜的制備，該磁控 濺射與離子束濺射復(fù)合鍍膜機(jī)包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和能同時(shí)公轉(zhuǎn)和自 轉(zhuǎn)的工件托架，工件托架安裝在真空室內(nèi)部，其特征在于在所述真空室的氣壓大于等于 2X10—STorr，溫度小于等于IO(TC情況下，通過(guò)以下步驟制備所述類(lèi)金剛石薄膜
步驟一、清洗鎂合金基體將鎂合金基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓 調(diào)整到2X 10—3Torr，開(kāi)啟線性離子源，向線性離子源通入40sccm氬氣，線性離子束源工作 電流為0. 2A，工作功率為260W，同時(shí)將基體的負(fù)偏壓設(shè)為IOOV，工作時(shí)間為20分鐘；
步驟二、在基體表面沉積類(lèi)金剛石薄膜同時(shí)開(kāi)啟線性離子束源和磁控濺射源，
4磁控濺射源為純度大于等于99. 99 %的單質(zhì)鉻靶，向線性離子源通入CH4，氣體流量為 27sccm，，線性離子束源工作電流為0. 2A，工作功率為280W ;向磁控濺射源通入53sccm氬 氣，磁控濺射功率為1. 2KW，工作電流為3A ;同時(shí)將基體的負(fù)偏壓設(shè)為50V，工作氣壓設(shè)為 4. 5X 10—、orr，沉積時(shí)間為1小時(shí)； 步驟三、待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室腔體，取出基體，該基體表面即為所 述類(lèi)金剛石薄膜。 經(jīng)過(guò)殘余應(yīng)力儀、劃痕儀測(cè)試，在鎂合金上沉積的摻雜鉻Cr的類(lèi)金剛石薄膜的殘 余壓應(yīng)力為0. 25GPa，膜/基臨界載荷為8N，薄膜的附著力良好。對(duì)摻雜有鉻Cr的類(lèi)金剛 石膜涂敷保護(hù)和無(wú)膜涂敷保護(hù)的鎂合金樣品試塊(AZ31)進(jìn)行摩擦學(xué)測(cè)試，摩擦條件為載 荷1N，摩擦速率為100mm/s，摩擦距離為100m，摩擦對(duì)偶球軸承鋼SUJ-2(HRC 60)，濕度 50%，溫度251:。結(jié)果表明摻雜鉻Cr的類(lèi)金剛石膜保護(hù)的鎂合金樣品塊的摩擦系數(shù)為 0. 3，經(jīng)過(guò)100m摩擦后，薄膜基本保持完好，磨損率為2. 1 X 10—6mm3/N m。無(wú)膜保護(hù)的AZ31 摩擦系數(shù)為0. 4，磨損率高達(dá)2. 3X 10—3mm3/N m，是有薄膜涂敷樣品的約1000倍。
上述類(lèi)碳膜的制備方法實(shí)施例二 采用磁控濺射與離子束濺射復(fù)合鍍膜機(jī)進(jìn)行所述類(lèi)金剛石薄膜的制備，該磁控 濺射與離子束濺射復(fù)合鍍膜機(jī)包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和能同時(shí)公轉(zhuǎn)和自 轉(zhuǎn)的工件托架，工件托架安裝在真空室內(nèi)部，其特征在于在所述真空室的氣壓大于等于 2X10—STorr，溫度小于等于IO(TC情況下，通過(guò)以下步驟制備所述類(lèi)金剛石薄膜
步驟一、清洗鎂合金基體將鎂合金基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓 調(diào)整到2X10—^orr，開(kāi)啟線性離子源，向線性離子源通入30sccm氬氣，線性離子束源工作 電流為0. 2A，工作功率為280W，同時(shí)將基體的負(fù)偏壓設(shè)為200V，工作時(shí)間為20分鐘；
步驟二、在基體表面沉積類(lèi)金剛石薄膜同時(shí)開(kāi)啟線性離子束源和磁控濺射源， 磁控濺射源為純度大于等于99. 99 %的單質(zhì)鈦靶，向線性離子源通入CH4，氣體流量為 25sccm，，線性離子束源工作電流為0. 2A，工作功率為260W ;向磁控濺射源通入50sccm氬 氣，磁控濺射功率為1KW，工作電流為3A ;同時(shí)將基體的負(fù)偏壓設(shè)為80V，工作氣壓設(shè)為 4. 5X 10—3Torr，沉積時(shí)間為1. 5小時(shí)； 步驟三、待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室腔體，取出基體，該基體表面即為所 述類(lèi)金剛石薄膜。 上述碳膜的制備方法實(shí)施例三 采用磁控濺射與離子束濺射復(fù)合鍍膜機(jī)進(jìn)行所述類(lèi)金剛石薄膜的制備，該磁控 濺射與離子束濺射復(fù)合鍍膜機(jī)包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和能同時(shí)公轉(zhuǎn)和自 轉(zhuǎn)的工件托架，工件托架安裝在真空室內(nèi)部，其特征在于在所述真空室的氣壓大于等于 2X10—STorr，溫度小于等于IO(TC情況下，通過(guò)以下步驟制備所述類(lèi)金剛石薄膜
步驟一、清洗鎂合金基體將鎂合金基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓 調(diào)整到2X 10—3Torr，開(kāi)啟線性離子源，向線性離子源通入50sccm氬氣，線性離子束源工作 電流為0. 2A，工作功率為300W，同時(shí)將基體的負(fù)偏壓設(shè)為300V，工作時(shí)間為20分鐘；
步驟二、在基體表面沉積類(lèi)金剛石薄膜同時(shí)開(kāi)啟線性離子束源和磁控濺射源， 磁控濺射源為純度大于等于99. 99 %的單質(zhì)鎢靶，向線性離子源通入CH4，氣體流量為 35sccm，，線性離子束源工作電流為0. 2A，工作功率為320W ;向磁控濺射源通入60sccm氬氣，磁控濺射功率為1. 5KW，工作電流為3A ;同時(shí)將基體的負(fù)偏壓設(shè)為100V，工作氣壓設(shè)為 4. 5X 10—，orr，沉積時(shí)間為2小時(shí); 步驟三、待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室腔體，取出基體，該基體表面即為所 述類(lèi)金剛石薄膜。
權(quán)利要求
一種提高鎂合金抗磨損性能的碳膜，其特征在于該碳膜為類(lèi)金剛石薄膜，并且該類(lèi)金剛石薄膜中含有原子百分比為2％～10％的金屬元素。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高鎂合金抗磨損性能的碳膜，其特征在于所述金屬為鈦 或鉻或鎢。
3. —種提高鎂合金抗磨損性能的碳膜的制備方法，采用磁控濺射與離子束濺射復(fù)合鍍 膜機(jī)進(jìn)行所述類(lèi)金剛石薄膜的制備，該磁控濺射與離子束濺射復(fù)合鍍膜機(jī)包括真空室、磁 控濺射源、線性離子源和能同時(shí)公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的工件托架，工件托架安裝在真空室內(nèi)部，其特征在于在所述真空室的氣壓大于等于2X10—STorr，溫度小于等于IO(TC情況下，通過(guò)以下步驟制備所述類(lèi)金剛石薄膜步驟一、清洗基體將基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓調(diào)整到2X10—、orr，開(kāi)啟線性離子源，向線性離子源通入30 50sccm氬氣，線性離子束源工作電 流為0. 2A，工作功率為260 300W，同時(shí)將基體的負(fù)偏壓設(shè)為100 300V，工作時(shí)間為20 分鐘；步驟二、在基體表面沉積類(lèi)金剛石薄膜同時(shí)開(kāi)啟線性離子束源和磁控濺射源，磁控 濺射源為純度大于等于99. 99%的單質(zhì)鉻靶或純度大于等于99. 99%的單質(zhì)鈦靶或純度大 于等于99. 99%的單質(zhì)鎢靶，向線性離子源通入CH4或C2H2等碳?xì)錃怏w，氣體流量為25 35sccm，，線性離子束源工作電流為0. 2A，工作功率為280 320W ;向磁控濺射源通入50 60sccm氬氣，磁控濺射功率為1 1. 5KW，工作電流為3A ;通過(guò)改變碳?xì)錃怏w與氬氣的比 例，來(lái)控制薄膜中金屬元素的摻雜量，同時(shí)將基體的負(fù)偏壓設(shè)為50 IOOV，工作氣壓設(shè)為 4. 5X 10—3Torr，沉積時(shí)間為1 2小時(shí)；步驟三、待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室腔體，取出基體，該基體表面即為所述類(lèi) 金剛石薄膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的提高鎂合金抗磨損性能的碳膜的制備方法，其特征在于所 述基體為鎂合金基體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高鎂合金抗磨損性能的碳膜及其制備方法，該碳膜為類(lèi)金剛石薄膜，并且該類(lèi)金剛石薄膜中含有原子百分比為2％～10％的金屬元素。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于在類(lèi)金剛石薄膜中引入微量金屬元素，在極大降低薄膜內(nèi)應(yīng)力同時(shí)，對(duì)類(lèi)金剛石薄膜硬度損傷較小，可以較大提高類(lèi)金剛石薄膜與鎂合金基體的附著力和鎂合金的耐磨損壽命。
文檔編號(hào)C23C14/06GK101792898SQ20101014657
公開(kāi)日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2010年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月9日
發(fā)明者代偉, 吳國(guó)松, 汪愛(ài)英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所