本發(fā)明涉及一種復(fù)合薄膜及其鍍膜方法，尤其是一種基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜及其鍍膜方法。
背景技術(shù)：
類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，因而通過氣相沉積工藝獲得的類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。
然而，無論是在什么樣的零件上使用，一般來說，在滿足零件尺寸要求的前提下，涂層的厚度，尤其是類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相應(yīng)提高，然而一旦涂層的厚度增加，尤其是類金剛石薄膜的厚度增加，就會導(dǎo)致類金剛石層的內(nèi)應(yīng)力增大，影響涂層和基材結(jié)合力，導(dǎo)致涂層與基材剝離，這就對涂層的使用壽命和效率產(chǎn)生影響，因此這種矛盾的調(diào)和成為亟待解決的問題。
同時，隨著涂層以及類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)也會增大。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，提供一種基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜及其鍍膜方法。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜，包括由基材表面向外依次形成的至少包括金屬底層和共沉積層的過渡層以及類金剛石層，所述共沉積層是金屬碳化物和所述金屬碳化物中的金屬元素對應(yīng)的金屬的融合物。
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜，其中：所述金屬底層為cr層或ti層。
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜，其中：所述金屬碳化物是wc或tic或crc中的一種。
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜，其中：所述過渡層還包括附著于共沉積層上的支撐層，所述支撐層的材質(zhì)是wc或tic或crc中的一種。
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜，其中：所述過渡層的厚度在2-4μm之間。
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜，其中：所述類金剛石層4的厚度在8-12μm之間，
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜，其中：所述基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜至少應(yīng)用于活塞環(huán)，其摩擦系數(shù)低于0.1，且與基材的結(jié)合力達(dá)到100n。
基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜的鍍膜方法，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0.1-1pa的真空度下，以cr或ti為靶材，在經(jīng)過清洗的基材表面磁控濺射一層金屬底層；
s3，以金屬碳化物和與該金屬碳化物中的金屬元素相同的金屬為靶材，控制兩個靶材的電源的工作模式為恒功率，并通過控制兩個靶材的功率配比，在金屬底層表面磁控濺射一層由該金屬碳化物和金屬融合形成的共沉積層；
s4，以金屬碳化物為靶材，在共沉積層表面磁控濺射一由該金屬碳化物形成的支撐層；
s5，向真空腔內(nèi)通入碳源氣體，采用陽極離子束技術(shù)在支撐層上形成8-12μm的類金剛石層。
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜的鍍膜方法，其特征在于：所述s1步驟包括如下過程：
s11，將基材放入堿性溶液中超聲波震蕩清洗；
s12，將經(jīng)過s11步驟清洗的基材在過濾純水中超聲波震蕩清洗；
s13，將經(jīng)過s12步驟清洗的基材在烘干箱中完成烘干；
s14，將經(jīng)過s12步驟清洗的基材放入真空腔后，開始將真空腔抽真空，達(dá)到本底真空度后，開啟加熱器加熱保持150-250℃，維持1.5-4小時并繼續(xù)抽真空，然后通入氬氣，保持真空度在0.1-1pa，開啟離子束源，開啟偏壓電源對基材進(jìn)行1-3小時的等離子體清洗。
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜的鍍膜方法，其中：在s3步驟中，所述金屬碳化物是wc或tic或crc，所述金屬是w或ti或cr。
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜的鍍膜方法，其中：所述金屬碳化物靶材和金屬靶材的電源功率比例在2:1-4:1之間。
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜的鍍膜方法，其中：所述s4步驟中，所述金屬碳化物為wc或tic或crc，濺射功率控制在1000w-3000w。
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜的鍍膜方法，其中：在所述s5步驟中，所述碳源氣體為乙炔，并且控制離子束源1000-1500v，偏壓電源1000-2000v，占空比20%-60%。
優(yōu)選的，所述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜的鍍膜方法，其中：所述乙炔的流量為50-150sccm。
本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：
本發(fā)明設(shè)計精巧，結(jié)構(gòu)簡單，通過設(shè)置共沉積層，能夠有效的提高納米硬度范圍，從而能夠?qū)崿F(xiàn)類金剛石層厚度的增加，并且，可以有效緩沖厚類金剛石層帶來的巨大應(yīng)力，提高復(fù)合薄膜與基材的結(jié)合力，同時，由于共沉積層的表面微觀結(jié)構(gòu)良好，不會破壞dlc自身的粗糙度，從而保證復(fù)合薄膜具有較低的摩擦系數(shù)。
本發(fā)明的鍍膜方法，過程簡單，控制便利，多種pvd技術(shù)的融合，尤其是通過磁控濺射沉積的方式，在恒功率的電源控制模式下，可以精準(zhǔn)控制不同成分之間的配比和最終薄膜厚度，從而保證薄膜的性能在合理范圍內(nèi)，即工藝的穩(wěn)定性高，無污染，綠色環(huán)保，該方法獲得的復(fù)合薄膜的附著性大大的由于傳統(tǒng)類金剛石薄膜。
附圖說明
圖1是本發(fā)明的薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明的目的、優(yōu)點和特點，將通過下面優(yōu)選實施例的非限制性說明進(jìn)行圖示和解釋。這些實施例僅是應(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)明揭示了基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜，至少應(yīng)用于活塞環(huán)，如附圖1所示，其包括由基材5表面向外依次形成的至少包括金屬底層1和共沉積層2的過渡層10以及類金剛石層4。
其中，所述基材5優(yōu)選是各種用于制造活塞環(huán)的材質(zhì)，如為13cr或者不銹鋼或者鑄鐵等。
所述金屬底層1附著于基材5上，其優(yōu)選為cr層或ti層，并通過磁控濺射工藝生成，cr或ti材質(zhì)的金屬底層與基材5和共沉積層2都能充分的結(jié)合，從而能夠讓基材5與共沉積層2整體更好的結(jié)合，進(jìn)而增加復(fù)合鍍膜與基材5之間的附著力。
所述共沉積層2是金屬碳化物和所述金屬碳化物中的金屬元素對應(yīng)的金屬的融合物，優(yōu)選所述金屬碳化物是wc或tic或crc中的一種，對應(yīng)的，所述金屬是w或ti或cr中的一種。
并且，所述過渡層10的厚度在2-4μm之間，其還包括附著于共沉積層2上的支撐層3，所述支撐層3是wc或tic或crc中的一種，對于基材而言，支撐層3的硬度與基材往往相差很大，若將支撐層直接在基材沉積，則它們的結(jié)合力會差，這時就需要金屬層和共沉積層由下到上逐步將硬度提高，縮小差距，通過共沉積層2有效實現(xiàn)金屬底層1和支撐層3的充分結(jié)合，從而使過渡層及復(fù)合薄膜整體上形成硬度梯度，保證復(fù)合薄膜整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，實現(xiàn)復(fù)合薄膜與基材的良好結(jié)合力。
詳細(xì)來說，所述共沉積層2通過非平衡磁控濺射技術(shù)制備，在制備共沉積層2過程中，同時使用兩種濺射靶材，并且通過控制靶材的電源的功率配比使形成的融合物的成分以wc或tic或crc等金屬碳化物為主，而wc或tic或crc等金屬碳化物與w或cr或ti等金屬材料在磁控濺射方法下沉積出的薄膜中可以形成有效結(jié)合，即，共沉積層的兩種物質(zhì)成分的微觀結(jié)構(gòu)相似度極高，可以相互間更好的匹配和融合，這種有效結(jié)合最終產(chǎn)生出的良好性能是：
一，該wc或tic或crc等金屬碳化物成分不論是與常見的打底材料（金屬底層的材料）共同沉積形成共沉積層，還是單獨沉積形成支撐層，其納米硬度范圍在20gpa-30gpa之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于納米硬度在10-15gpa之間的cr或者ti的金屬底層，這是其他元素?fù)诫s很難達(dá)到的，而高硬度就表示可以在此基礎(chǔ)上沉積更厚的類金剛石層4，并可以有效緩沖較厚的類金剛石層4帶來的巨大應(yīng)力，這是因為由于共沉積層和/或支撐層在硬度上與類金剛石層相差不大，甚至接近，相互間有較好的融合和匹配，其次，共沉積層和/或支撐層的材料自身結(jié)構(gòu)致密，硬度較高，所以能夠承受類金剛石層超厚的情況下產(chǎn)生的應(yīng)力，否則就會導(dǎo)致類金剛石層在成膜后或者使用時崩缺，因而，所述類金剛石層4的厚度可以加工到8-12μm之間，對應(yīng)的，所述基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜的總厚度在10-16μm之間，因此通過共沉積層2的成分特性，能夠有效的與金屬底層1和支撐層3有效的結(jié)合，提高過渡層的硬度，且減小整個復(fù)合薄膜的內(nèi)應(yīng)力，從而使復(fù)合薄膜與基材的結(jié)合力能夠達(dá)到100n，復(fù)合薄膜硬度在1800-2500hv之間。
二，由于wc或tic或crc等碳化物與w或cr或ti等金屬相互間匹配良好，使得磁控濺射方法產(chǎn)生出的過渡層的表面微觀結(jié)構(gòu)平整致密，無缺陷，整體表現(xiàn)為薄膜的粗糙度極低，通常不到0.1，因此不會破壞疊加在其上的類金剛石層的自身粗糙度，從而使整個薄膜的摩擦系數(shù)低于0.1，這也是其他化合物用磁控濺射方法達(dá)不到的；當(dāng)然，如果用其他方法沉積相同的成分也不容易達(dá)到類似效果。
進(jìn)行上述的基于類金剛石薄膜的增厚型復(fù)合薄膜鍍膜時，其包括如下步驟：
s1，將該基材清洗后放入真空腔內(nèi)，進(jìn)行等離子體清洗，具體來說又包括如下過程：
s11，將基材放入堿性溶液中超聲波震蕩清洗；
s12，將經(jīng)過s11步驟清洗的基材在過濾純水中超聲波震蕩清洗；
s13，將經(jīng)過s12步驟清洗的基材在烘干箱中完成烘干；
s14，將經(jīng)過s12步驟清洗的基材放入真空腔內(nèi)后，開始將真空腔抽真空，達(dá)到本底真空度后，開啟加熱器加熱保持150-250℃，優(yōu)選為200℃，維持1.5-4小時并繼續(xù)抽真空，然后通入氬氣，保持真空度在0.1-1pa，開啟離子束源，開啟偏壓電源對基材進(jìn)行1-3小時的等離子體清洗。
s2，完成清洗后，使真空腔內(nèi)保持0.1-1pa的真空度，以cr或ti為靶材，在經(jīng)過清洗的基材5表面磁控濺射一層金屬底層1。
s3，保持真空腔內(nèi)的真空度在0.1-1pa，以wc或tic或crc等金屬碳化物和以w或ti或cr等金屬為靶材，向真空腔內(nèi)通入氬氣，控制兩個靶材的電源工作模式均為恒功率，并通過控制兩個靶材的電源功率配比，從而在金屬底層1的表面磁控濺射一層由wc或tic或crc等金屬碳化物和w或ti或cr金屬融合形成的共沉積層2，并且使生成的共沉積層2的成分以金屬碳化物為主，以金屬為輔。
經(jīng)發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個靶材的電源功率配比過低或過高時，對應(yīng)的共沉積層中金屬碳化物和金屬的比例就會不同，從而影響到薄膜和基材結(jié)合力，同時如果電源功率配比過高，也會超過硬件的承受范圍，因此優(yōu)選所述金屬碳化物靶材和金屬靶材的電源功率比例在2:1-4:1之間。
s4，繼續(xù)保持真空腔內(nèi)的真空度在0.1-1pa，向真空腔內(nèi)通入氬氣，以wc或tic或crc金屬碳化物為靶材，控制濺射功率在1000w-3000w之間，在共沉積層2表面磁控濺射一由wc或tic或crc等金屬碳化物形成的支撐層3，上述參數(shù)的優(yōu)選能夠保證支撐層硬度在20-30gpa之間，否則會導(dǎo)致與后續(xù)類金剛石層的結(jié)合不好。
s5，繼續(xù)保持真空腔內(nèi)的真空度在0.1-1pa，向真空腔內(nèi)通入碳源氣體，所述碳源氣體優(yōu)選為乙炔，所述乙炔的流量為50-150sccm，采用陽極離子束技術(shù)在支撐層3上形成8-12μm的類金剛石層4，并且控制離子束源1000-1500v，偏壓電源1000-2000v，占空比20%-60%，通過上述參數(shù)設(shè)置可以保證涂層中的兩種碳的結(jié)構(gòu)，即sp2、sp3的比例達(dá)到最優(yōu)，同時兼顧類金剛石層的自身硬度和厚度達(dá)到要求，以及沉積速率的要求，具有經(jīng)濟(jì)性。
本發(fā)明尚有多種實施方式，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)。