一种无氢掺硅类金刚石膜层及其制备方法转让专利
申请号 : CN201210072931.3
文献号 : CN102586735B
文献日 : 2014-02-26
发明人 : 胡芳 , 代明江 , 林松盛 , 侯惠君 , 韦春贝 , 石倩 , 张贺勇
申请人 : 广州有色金属研究院
摘要 :
一种无氢掺硅类金刚石膜层。其特征是依次由基体(1)；金属层(2)；金属碳化物层(3)；掺硅类金刚石膜层(4)构成。制备方法是采用直流磁控溅射石墨靶、中频磁控溅射碳化硅靶或硅靶以及离子源辅助沉积，依次氩离子清洗基体；沉积金属层和金属碳化物层；沉积无氢掺硅类金刚石膜层。与现有技术相比，本发明方法所制备的膜层具有摩擦系数和磨损率低、膜层质量好的特点。本发明膜层制备工艺简单，重复性好，可制备出不同含硅量的无氢掺硅类金刚石膜层，能满足湿度变化等特定环境下精密仪器传动部件精度的要求，提高其使用的精度、灵敏度和可靠性，适用于超集成电路、医用器械、光学元件、雷达、航空飞行器等。
权利要求 :
1.一种无氢掺硅类金刚石膜层，其特征是所述的无氢掺硅类金刚石膜层依次由基体(1)；金属层(2)；金属碳化物层(3)；掺硅类金刚石膜层(4)构成；其制备方法是采用直流磁控溅射石墨靶、中频磁控溅射碳化硅靶或硅靶以及离子源辅助沉积，本底真空度小于-3
5×10 Pa，温度150~250℃，工件架转速1~5rpm条件下，依次由如下步骤组成：(1)氩离子清洗基体：氩气流量120~300sccm，炉压0.20~0.6Pa，离子源功率400~600W，偏压600~1000V，清洗时间10~30min；
(2)沉积金属层和金属碳化物层：氩气流量120~240sccm，炉压0.2~0.4Pa，离子源功率
200~500W；沉积金属层时，金属靶溅射功率800~1000W，偏压400~600V，沉积时间10~20min；
沉积金属碳化物层时，金属靶溅射功率600~1000W；石墨靶溅射功率1200~2000W，偏压
100~200V，沉积时间10~30min；
(3)沉积无氢掺硅类金刚石膜层：氩气流量100~200sccm，偏压50~150V，炉压
0.2~0.4Pa，SiC靶或Si靶溅射功率50~650W，石墨靶溅射功率1600~2000W，离子源功率
100~400W，沉积时间4~6h。
2.根据权利要求1所述的无氢掺硅类金刚石膜层，其特征是所述金属靶为Cr、Ti或W靶。
说明书 :
一种无氢掺硅类金刚石膜层及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种金属表面膜层及其制备方法，特别涉及一种无氢掺硅类金刚石膜层及其制备方法。
背景技术
[0002] 类金刚石碳膜(Diamond-like carbon，DLC)具有高硬度、较低的摩擦系数以及良好的耐磨性而获得了广泛的应用。但是，限制DLC膜层应用的两个主要问题是膜层的内应力较大，导致膜层与基体之间的结合程度较差；另外，DLC膜层对环境湿度的变化非常敏感，有研究表明，DLC膜层的摩擦系数随着环境湿度的增加而增大，在高湿度条件下很难保持较低的摩擦系数。随着现代科学技术的迅猛发展，对精密传动部件在不同环境下的精确度、可靠性、灵敏度和传动效率方面的要求越来越高，因此，开发新型的具有良好力学性能和耐磨性能的掺杂类金刚石膜层迫在眉睫。近几年来，科研工作者通过向膜层中添加金属或非金属元素来进一步提高类金刚石膜层的综合性能。其中，向类金刚石膜层中掺入Si元素不仅能够降低膜层的内应力、提高热稳定性能，而且还可以降低膜层对环境湿度变化的敏感性。据报道，Si含量在3～6％时，类金刚石膜层的摩擦系数受环境湿度的变化甚小，可大大提高精密仪器的精度。
[0003] 目前，所制备的Si-DLC膜层主要分为含氢掺硅类金刚石膜层(Si-DLC(H))和无氢掺硅类金刚石膜层(Si-DLC)两种。目前，大多数研究报道的是含氢掺硅类金刚石膜层的制备，主要使用射频等离子化学气相沉积技术、化学气相沉积和物理气相沉积相结合的复合沉积技术，具有沉积速率快的优点。但是，这些制备方法普遍存在一些缺点：(1)膜层本身硬度相对较低，在大气条件下的耐磨损性能相对较差；(2)采用射频等离子化学气相沉积技术，通常使用含Si的碳氢气体，如SiH4或Si(CH3)4作为Si源。氢的引入不仅会破坏掺硅类金刚石膜层的三维网络结构，进而降低其力学性能，而且大多数含Si的碳氢气体有毒，对人体的健康以及环境有很大的危害；(3)射频电源对设备及操作者存在一定的危害隐患。
[0004] 目前，无氢掺硅类金刚石膜层的制备研究报道较少。CN101109064A公开了一种掺硅无氢类金刚石薄膜的镀制方法。赵栋才等人(物理学报，2008，57(3))利用脉冲电弧离子镀技术，通过调整掺硅石墨靶和纯石墨靶的数量制备不同含硅量的类金刚石膜层。研究表明，该技术所制备的不同含硅量的Si-DLC膜层的摩擦系数变化较大，当含硅量小于6.17at.％时，摩擦系数均为0.15；当含硅量高达28at.％时，膜层的摩擦系数很快升至
0.7。Monteiro等人(Surface and Coatings Technology 163～164，2003，144-148)采用双源过滤阴极电弧离子镀技术沉积Si-DLC膜层。研究表明，所制备的含硅量3at.％、
5at.％、6at.％的Si-DLC膜层，当加载载荷为0.2～0.4N时，摩擦系数均在0.20以上。以上报道均采用电弧离子镀技术制备掺硅类金刚石膜，膜层的摩擦系数相对较高，难以满足精密传动部件的应用要求。
0.7。Monteiro等人(Surface and Coatings Technology 163～164，2003，144-148)采用双源过滤阴极电弧离子镀技术沉积Si-DLC膜层。研究表明，所制备的含硅量3at.％、
5at.％、6at.％的Si-DLC膜层，当加载载荷为0.2～0.4N时，摩擦系数均在0.20以上。以上报道均采用电弧离子镀技术制备掺硅类金刚石膜，膜层的摩擦系数相对较高，难以满足精密传动部件的应用要求。
发明内容
[0005] 本发明针对目前无氢掺硅类金刚石膜层摩擦系数较高的问题，提供一种膜/基结合强度高、沉积速率较快、摩擦系数和磨损率较低的无氢掺硅类金刚石膜层。
[0006] 本发明的另一个目的是提供一种上述无氢掺硅类金刚石膜层的制备方法。
[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：所述的无氢掺硅类金刚石膜层依次由基体1；金属层2；金属碳化物层3；掺硅类金刚石膜层4构成。
[0008] 所述基体为模具钢、不锈钢或硬质合金。
[0009] 本发明所述的无氢掺硅类金刚石膜层的制备方法采用直流磁控溅射石墨靶、中-3频磁控溅射碳化硅靶或硅靶以及离子源辅助沉积，本底真空度小于5×10 Pa，温度150～
250℃，工件架转速1～5rpm条件下，依次包括如下步骤：
250℃，工件架转速1～5rpm条件下，依次包括如下步骤：
[0010] (1)氩离子清洗基体：氩气流量120～300sccm，炉压0.20～0.6Pa，离子源功率400～600W，偏压600～1000V，清洗时间10～30min；
[0011] (2)沉积金属层和金属碳化物层：氩气流量120～240sccm，炉压0.2～0.4Pa，离子源功率200～500W；沉积金属层时，金属靶溅射功率800～1000W，偏压400～600V，沉积时间10～20min；沉积金属碳化物层时，金属靶溅射功率600～1000W；石墨靶溅射功率1200～2000W，偏压100～200V，沉积时间10～30min；
[0012] (3)沉积无氢掺硅类金刚石膜层：氩气流量100～200sccm，偏压50～150V，炉压0.2～0.4Pa。SiC靶或Si靶溅射功率50～650W，石墨靶溅射功率1600～2000W，离子源功率100～400W，沉积时间4～6h。
[0013] 所述金属靶为Cr、Ti或W靶。
[0014] 本发明专利提供了一种无氢掺硅类金刚石膜层及其制备方法，即先使用磁控溅射技术沉积金属层和金属碳化物层，然后采用直流磁控溅射石墨靶制备类金刚石膜层，同时使用中频磁控溅射SiC靶或Si靶来掺杂Si元素，中频靶工作时交替作为阴极或阳极，既能有效抑制靶面“打火”和“阳极消失”的现象，又能提高膜层的沉积速率；在整个镀膜过程中采用离子源辅助沉积，进一步提高离化率，从而可提高膜层的硬度、耐磨性和结合力等性能。采用此多技术复合的沉积方法，可制备出综合性能优异的无氢掺硅类金刚石膜。
附图说明
[0015] 图1为基体/Me/MeC/Si-DLC膜层示意图。其中1为基体；2为金属层；3为金属碳化物层；4为无氢掺硅类金刚石膜层。
具体实施方式
[0016] 本发明可通过以下实施例进一步说明。采用直流磁控溅射石墨靶、中频磁控溅射碳化硅靶或硅靶以及离子源辅助沉积无氢掺硅的类金刚石膜层。气体为纯度99.99％的氩气。
[0017] 实施例1
[0018] 基体为模具钢，按表1所列工艺流程和参数依次操作。所制备的Si-DLC膜层厚度为1.08μm，含硅量为3.61at.％，膜层与基体之间的结合强度为62N，纳米硬度为11.23GPa；Si-DLC膜层在相对湿度40％和70％环境下的摩擦系数分别为0.139和0.150，-10 3 -1 -1
磨损率为3.38×10 mm·N ·m 。
磨损率为3.38×10 mm·N ·m 。
[0019] 表1实施例1工艺流程表
[0020]
[0021] 实施例2
[0022] 基体为不锈钢，按表2所列工艺流程和参数依次操作。所制备的Si-DLC膜层厚度为1.8μm，含硅量为15.2at.％，膜层与基体之间的结合强度为57N，纳米硬度为16.3GPa；Si-DLC膜层在相对湿度40％和70％环境下的摩擦系数分别为0.127和0.160，磨损率为-10 3 -1 -1
4.9×10 mm·N ·m 。
4.9×10 mm·N ·m 。
[0023] 表2实施例2工艺流程表
[0024]
[0025] 实施例3
[0026] 基体为硬质合金，按表3所列工艺流程和参数依次操作。所制备的Si-DLC膜层厚度为2.6μm，含硅量为28.63at.％，膜层与基体之间的结合强度为55N，纳米硬度为9.9GPa；Si-DLC膜层在相对湿度40％和70％环境下的摩擦系数分别为0.095和0.146，磨-9 3 -1 -1
损率为1.45×10 mm·N ·m 。
损率为1.45×10 mm·N ·m 。
[0027] 表3实施例3工艺流程表
[0028]
[0029] 按本发明制备的无氢掺硅类金刚石膜层的主要性能指标见表4。
[0030] 表4无氢掺硅类金刚石膜层的主要性能指标和测试标准
[0031]
[0032] 说明：该膜层的摩擦系数的测试条件：MS-T3000球盘摩擦磨损实验机，对偶材料为直径Φ4mm的GCr15钢球，滑动线速度0.2m/s，载荷0.49～9.8N；测试的温度23～25℃，测试的环境相对湿度40～70％。
[0033] 表4测试结果表明，与现有电弧离子镀方法制备无氢掺硅类金刚石膜层相比，本发明方法所制备的膜层具有摩擦系数和磨损率低、膜层质量好的特点。本发明的膜层制备工艺简单，重复性好，可制备出不同含硅量的无氢掺硅类金刚石膜层，能满足湿度变化等特定环境下精密仪器传动部件精度的要求，提高其使用的精度、灵敏度和可靠性，适用于超集成电路、医用器械、光学元件、雷达、航空飞行器等。