專利名稱：：硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復(fù)合涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于離子束材料表面改性領(lǐng)域，特別涉及一種硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備非晶四面體碳復(fù)合涂層的方法。
背景技術(shù)：
：目前國內(nèi)外刀具涂層普遍采用的有TiN、CrN、TiAlN、CrAlN和CrAlTi等多種材料，而這些材料具有不同的特性得到一定的應(yīng)用，但這些涂層的硬度限制在15-30GPa，摩擦系數(shù)為0.4-2。在工具中，絲錐與其他刀具，如銑刀等的要求不同，是一次性使用的刀具，其對(duì)尺寸要求嚴(yán)格，如果刀具尺寸大，會(huì)使螺紋大，螺絲松動(dòng)，尺寸小，則螺絲進(jìn)不去。當(dāng)絲錐攻盲孔，或不銹鋼等粘性材料時(shí)，往往由于排屑不好，形成夾刀，崩齒。在上述這些涂層材料的硬度范圍，一般銑刀鍍4-5微米，可以得到一定的延長(zhǎng)壽命的目的，但對(duì)于絲錐，鍍層厚到1微米時(shí)，使絲錐的尺寸變大，造成螺紋變松，如果鍍層薄，如1微米以下，產(chǎn)生的效果不明顯，而且涂層的摩擦系數(shù)大，不能解決沾鐵屑，夾刀的現(xiàn)象。因此，在刀具鍍膜中，如何解決絲錐鍍膜一直是難點(diǎn)。而目前類金剛石(DLC)涂層相比較摩擦系數(shù)小，可以解決沾鐵屑，夾刀的現(xiàn)象。但目前采用傳統(tǒng)的磁控濺射、電弧等方法制備的DLC涂層，其SP3鍵含量一般在30-50%，因此硬度與上述涂層差不多，一般小于30GPa。因此，急需解決新的裝備技術(shù)。
發(fā)明內(nèi)容基于上述方法的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種用于硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備非晶四面體碳復(fù)合涂層的新方法，該方法制備的非晶四面體碳薄膜復(fù)合涂層，結(jié)合強(qiáng)度高，硬度高，摩擦系數(shù)小，涂層薄，同時(shí)具有優(yōu)異的韌性，非常適用于絲錐、鉸刀、塞規(guī)等對(duì)尺寸有嚴(yán)格要求的刀、量具，可以從根本上解決延長(zhǎng)使用壽命的難題。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案—種硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復(fù)合涂層的方法，所述的硬質(zhì)合金、高速鋼材料統(tǒng)稱為基體，其特征在于，該方法包括下列步驟(1)基體預(yù)處理首先對(duì)基體表面進(jìn)行除油，然后放入丙酮溶液中，用超聲波清洗，酒精脫水，氮?dú)獯蹈桑?2)離子清洗將預(yù)處理后的基體放入鍍膜機(jī)真空室的轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行離子清洗；(3)鍍制涂層將經(jīng)過離子清洗后的基體采用磁控濺射裝置鍍CrTiAlN涂層；(4)形成非晶碳薄膜關(guān)閉磁控濺射裝置，啟動(dòng)過濾電弧離子源，離子源的工作氣壓為2X10—2Pa，電弧電流為80A，石墨靶陰極的碳純度為99.99%，通過電弧放電由石墨表面氣化出碳原子和碳分子，碳原子和碳分子在放電室中進(jìn)一步電離形成碳離子，經(jīng)過磁過濾裝置過濾掉中性碳原子和碳分子，過濾后的碳離子沉積在基體表面，形成超硬的非晶四面體碳薄膜。所述步驟(2)中離子清洗是指，采用冷陰極離子源，進(jìn)行離子清洗，離子源通入氬氣，流量為12sccm，保持真空室氣壓2X10—乍a，離子源的放電電壓為400V-600V，放電電流為100mA-200mA，引出電壓為1000V-1200V，引出電流50mA-100mA，轟擊部件10-30分鐘，離子源縱向均勻尺寸為40mm，轉(zhuǎn)臺(tái)以3r/min的線速度旋轉(zhuǎn)，保證橫向清洗均勻。所述步驟(3)中采用磁控濺射裝置鍍CrTiAlN涂層是指，在偏壓為200V，占空比1:1，氣壓為4.0x10—"瞎況下充入N2:Ar混合氣體，流量比例為7.2:150，啟動(dòng)Cr、Ti、Al三個(gè)磁控濺射靶，濺射電流分別為A1:1.8A、Ti:7.0A、Cr:1.8A，濺射電壓分別為A1:560V、Ti:400、Cr:440V，鍍制時(shí)間為40min，轉(zhuǎn)臺(tái)以3r/min的線速度旋轉(zhuǎn)，保證橫向鍍膜均勻，薄膜厚度800nm。所述步驟(4)中碳離子沉積是指，偏壓采用直流脈沖，電源占寬比為1:l，偏壓幅值為120V，轉(zhuǎn)臺(tái)以3r/min的線速度旋轉(zhuǎn)，保證基體涂層橫向均勻，磁場(chǎng)掃描線圈沿基體的縱向掃描，掃描的頻率為50Hz，基體溫度《80C°，基體的涂層厚度為300nm。由上述技術(shù)方案可見，本發(fā)明為了在硬質(zhì)合金、高速鋼表面增加非晶碳涂層的結(jié)合力，在中間增加了一層CrTiAlN過渡層，當(dāng)它具有高Cr含量時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性，正是非晶碳薄膜缺少的特性，采用本方法在硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面形成的非晶四面體碳復(fù)合涂層為非晶結(jié)構(gòu)，涂層中Sp3鍵結(jié)構(gòu)含量^85X，硬度^85GPa，摩擦系數(shù)《0.15，薄膜與基體之間的結(jié)合力^35N;與傳統(tǒng)技術(shù)制備的DLC相比，摩擦系數(shù)更小，硬度更高，使用壽命提供6倍以上，是非常適合選用的涂層材料。圖1為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法所采用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中l(wèi)-過濾電弧離子源；2-S型雙彎管磁過濾裝置；3_真空室；4_冷陰極離子源；5-工裝轉(zhuǎn)臺(tái)；6-工裝架；7-抽氣口；8-進(jìn)氣口；9-真空計(jì)；10-磁掃描線圈；ll-磁控濺射靶；12-石墨靶陰極；圖2為磁控濺射耙磁場(chǎng)分布圖；圖3為S型雙彎管磁過濾裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明所制備涂層的拉曼光譜圖，定性的計(jì)算SP3鍵結(jié)構(gòu)；圖5為本發(fā)明所制備涂層的原子力顯微鏡圖片，顯示表面粗糙度為0.25nm;圖6為本發(fā)明所制備涂層的摩擦系數(shù)圖。具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明提供了一種硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備非晶四面體碳復(fù)合涂層的方法，所述的硬質(zhì)合金、高速鋼材料統(tǒng)稱為基體，包括下列步驟(1)基體的預(yù)處理首先對(duì)基體表面進(jìn)行除油，然后放入丙酮溶液中，并用超聲波清洗，酒精脫水，最后用氮?dú)獯蹈桑?2)將預(yù)處理好的基體插在專用的工裝架6上，將工裝架6放入鍍膜機(jī)真空室3中的一個(gè)工裝轉(zhuǎn)臺(tái)5上；采用一個(gè)冷陰極離子源4，進(jìn)行離子清洗，離子源通入氬氣，流量為12sccm，保持真空室氣壓2X10—2Pa，離子源的放電電壓為400V-600V，放電電流為100mA-200mA，引出電壓為1000V-1200V，引出電流50mA-100mA，轟擊部件10-30分鐘，離子源縱向均勻尺寸為40mm，工裝轉(zhuǎn)臺(tái)5以3r/min的線速度旋轉(zhuǎn)，以保證橫向均勻；(3)關(guān)掉冷陰極離子源4，為了增加硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面非晶碳涂層的附著力，提高薄膜的韌性，采用磁控濺射技術(shù)鍍制CrTiAlN涂層，在偏壓為200V，占空比l:1，氣壓為4.0x10—1情況下充入氮?dú)夂蜌鍤?，然后啟?dòng)Cr、Ti、Al磁控濺射靶11，如圖2所示，具體參數(shù)如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>鍍制CrTiAlN涂層薄膜厚度為800nm。(4)關(guān)掉磁控濺射靶l(wèi)l，啟動(dòng)過濾電弧離子源l，本發(fā)明制備非晶四面體碳，采用一種S型過濾陰極電弧離子源l，離子源的工作氣壓為2X10—2Pa，電弧電流為80A，石墨靶陰極12的碳純度為99.99%，首先通過電弧放電產(chǎn)生的局部高溫由石墨表面氣化出碳原子和碳分子，碳原子和碳分子在放電室中進(jìn)一步電離形成碳離子，經(jīng)過圖3所示的一個(gè)S型雙彎管磁過濾裝置2，磁過濾裝置2電流為IOA，中性碳原子和碳分子被過濾掉，提高了薄膜硬度，降低表面粗糙度，通過磁過濾裝置2過濾后的碳離子沉積在基體表面，形成超硬的非晶四面體碳薄膜。石墨顆粒沉積過程中，偏壓采用直流脈沖，電源占寬比為50%，偏壓幅值為120V，工件轉(zhuǎn)盤以3r/min的線速度旋轉(zhuǎn)，以保證工件涂層在橫向均勻，由一個(gè)磁掃描線圈沿基體的縱向掃描，保證涂層的均勻性，掃描的頻率為50Hz，基體溫度《80C°，基體的涂層厚度為300nm。為了保證薄膜純度，采用純度為99.99X的石墨靶，為了保證薄膜高SPS鍵含量，偏壓要穩(wěn)定，沉積離子能量控制在80-120eV。在上述工藝條件下，可以保證硬質(zhì)合金和高速鋼材料表面制備出非晶四面體碳膜具有良好的結(jié)合力，薄膜與基體之間的結(jié)合力^35N，涂層表面粗糙度《0.25nm，如圖5所示；通過對(duì)照涂層拉曼光譜可以看出涂層的SPS鍵結(jié)構(gòu)含量^85%，如圖4所示；通過圖6可以看出涂層的摩擦系數(shù)《0.15。通過栓盤實(shí)驗(yàn)對(duì)涂層的摩擦磨損性能進(jìn)行檢測(cè)，在干摩擦條件下，摩擦副為直徑4mm軸承鋼珠時(shí)，摩擦系數(shù)為0.08-0.12之間。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的任何簡(jiǎn)單修改及等效結(jié)構(gòu)變換或修飾，均屬于本發(fā)明所提交的權(quán)利要求書確定的專利保護(hù)范圍。權(quán)利要求一種硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復(fù)合涂層的方法，所述的硬質(zhì)合金、高速鋼材料統(tǒng)稱為基體，其特征在于，該方法包括下列步驟(1)基體預(yù)處理首先對(duì)基體表面進(jìn)行除油，然后放入丙酮溶液中，用超聲波清洗，酒精脫水，氮?dú)獯蹈桑?2)離子清洗將預(yù)處理后的基體放入鍍膜機(jī)真空室的轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行離子清洗；(3)鍍制涂層將經(jīng)過離子清洗后的基體采用磁控濺射裝置鍍CrTiAlN涂層；(4)形成非晶碳薄膜關(guān)閉磁控濺射裝置，啟動(dòng)過濾電弧離子源，離子源的工作氣壓為2×10-2Pa，電弧電流為80A，石墨靶陰極的碳純度為99.99％，通過電弧放電由石墨表面氣化出碳原子和碳分子，碳原子和碳分子在放電室中進(jìn)一步電離形成碳離子，經(jīng)過磁過濾裝置過濾掉中性碳原子和碳分子，過濾后的碳離子沉積在基體表面，形成超硬的非晶四面體碳薄膜。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復(fù)合涂層的方法，其特征在于所述步驟(2)中離子清洗是指，采用冷陰極離子源，進(jìn)行離子清洗，離子源通入氬氣，流量為12sccm，保持真空室氣壓2X10—2Pa，離子源的放電電壓為400V-600V，放電電流為100mA-200mA，弓|出電壓為1000V-1200V，弓|出電流50mA-100mA，轟擊部件10-30分鐘，離子源縱向均勻尺寸為40mm，轉(zhuǎn)臺(tái)以3r/min的線速度旋轉(zhuǎn)，保證橫向清洗均勻。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復(fù)合涂層的方法，其特征在于所述步驟(3)中采用磁控濺射裝置鍍CrTiAlN涂層是指，在偏壓為200V，占空比l:1，氣壓為4.0x10—"瞎況下充入^:Ar混合氣體，流量比例為7.2:150，啟動(dòng)Cr、Ti、Al三個(gè)磁控濺射靶，濺射電流分別為A1:1.8A、Ti:7.0A、Cr:1.8A，濺射電壓分別為A1:560V、Ti:400、Cr:440V，鍍制時(shí)間為40min，轉(zhuǎn)臺(tái)以3r/min的線速度旋轉(zhuǎn)，保證橫向鍍膜均勻，薄膜厚度800nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復(fù)合涂層的方法，其特征在于所述步驟(4)中碳離子沉積是指，偏壓采用直流脈沖，電源占寬比為1:1，偏壓幅值為120V，轉(zhuǎn)臺(tái)以3r/min的線速度旋轉(zhuǎn)，保證基體涂層橫向均勻，磁場(chǎng)掃描線圈沿基體的縱向掃描，掃描的頻率為50Hz，基體溫度《80C°，基體的涂層厚度為300nm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復(fù)合涂層的方法，其特征在于基體表面形成的非晶碳薄膜涂層為非晶結(jié)構(gòu)，涂層中SP3鍵結(jié)構(gòu)含量>85%，硬度>85GPa，摩擦系數(shù)《0.15，薄膜與基體之間的結(jié)合力>35N。全文摘要本發(fā)明的目的在于提供一種用于硬質(zhì)合金、高速鋼材料表面制備非晶四面體碳復(fù)合涂層的新方法，包括基體預(yù)處理、離子清洗、鍍制CrTiAlN中間涂層、電弧放電和碳離子沉積；該方法制備的非晶四面體碳薄膜復(fù)合涂層，結(jié)合強(qiáng)度高，硬度高，摩擦系數(shù)小，涂層薄，同時(shí)具有優(yōu)異的韌性，非常適用于絲錐、鉸刀、塞規(guī)等對(duì)尺寸有嚴(yán)格要求的刀、量具，涂層中SP3鍵結(jié)構(gòu)含量≥85％，硬度≥85GPa，摩擦系數(shù)≤0.15，薄膜與基體之間的結(jié)合力≥35N；與傳統(tǒng)技術(shù)制備的DLC相比，摩擦系數(shù)更小，硬度更高，使用壽命提供6倍以上，是目前非常適合選用的涂層材料。文檔編號(hào)C23C14/06GK101781748SQ20101013616公開日2010年7月21日申請(qǐng)日期2010年3月31日優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日發(fā)明者朱克志,楊立,王曉艷,趙玉清,陳仙,韓亮申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)