一種耐摩擦磨損抗腐蝕碳基薄膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于薄膜材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種集高硬度，耐摩擦磨損，抗腐蝕性能于一體的碳基薄膜的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]材料腐蝕是指材料受環(huán)境作用而發(fā)生破壞或變質(zhì)從而失去原有功能的現(xiàn)象。腐蝕遍及各行各業(yè)，其中以海洋中鋼鐵腐蝕消耗最為嚴(yán)重，且防腐蝕成本較大。類金剛石薄膜主要由金剛石結(jié)構(gòu)的sp3碳原子和石墨結(jié)構(gòu)的sp2碳原子相互混雜而成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有高硬度、低摩擦系數(shù)、耐磨損、耐腐蝕性和化學(xué)穩(wěn)定性好等眾多優(yōu)良的性能，幾乎不溶于任何酸、堿和有機(jī)溶液。因此用它作為防護(hù)薄膜，不僅可以提供一般薄膜不具備的機(jī)械力學(xué)性能，還可以有效阻擋氧氣和溶液的滲透，從而滿足特殊環(huán)境下使用的鋼材的表面防護(hù)。但薄膜自身的缺陷，如針孔、界面結(jié)合弱等嚴(yán)重削弱薄膜的抗腐蝕性能，降低其服役壽命。鉻元素易被氧化，能迅速形成Cr203鈍化膜隔絕氧化介質(zhì)起到防腐蝕目的，因而被廣泛應(yīng)用在鋼材防腐蝕中。若能實(shí)現(xiàn)鉻元素和類金剛石薄膜性能的復(fù)合，有效彌補(bǔ)類金剛石薄膜的缺陷，那么獲得集硬度高、耐摩擦磨損，耐腐蝕等眾多優(yōu)良性能于一體防護(hù)薄膜成為可能。
[0003]磁過濾真空陰極電弧設(shè)備集成碳等離子體脈沖陰極弧發(fā)生器、磁分離金屬等離子體直流弧蒸發(fā)器和離子濺射源。具有輸出的等離子體能量高，膜基結(jié)合力強(qiáng)，成膜速率快，適合工業(yè)生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。其中碳等離子體脈沖陰極弧發(fā)生器利用在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生的脈沖陰極弧不斷侵蝕碳靶表面使其蒸發(fā)生成碳等離子體，在基底負(fù)偏壓作用下轟擊基底形成非晶碳膜；磁分離金屬等離子體直流弧蒸發(fā)器通過在真空中的點(diǎn)弧裝置引燃點(diǎn)弧，在電源和磁場(chǎng)共同作用下，陰極弧在金屬靶表面游動(dòng)并使金屬蒸發(fā)，大部分蒸發(fā)金屬在靶前高勢(shì)皇的場(chǎng)致效應(yīng)下被離化成金屬離子，通過磁場(chǎng)過濾高速轟擊基底形成金屬薄膜或?qū)崿F(xiàn)金屬元素?fù)诫s；離子濺射源主要用來刻蝕活化基底，增加基底材料表面能，提高結(jié)合力。
[0004]對(duì)非晶碳膜的缺陷做了針對(duì)性研究:強(qiáng)度低主要是由于薄膜中的殘余應(yīng)力和膜基間晶格結(jié)構(gòu)和物理性能錯(cuò)配造成，可通過離子轟擊基底、采用室溫鍍膜、添加鉻過渡層及退火處理提高結(jié)合力；針孔表明薄膜不夠致密，通過調(diào)節(jié)薄膜制備參數(shù)用高能量碳離子沉積、元素?fù)诫s和退火處理也可以提高薄膜致密度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種耐摩擦磨損抗腐蝕碳基薄膜的制備方法。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案是:一種耐摩擦磨損抗腐蝕碳基薄膜的制備方法，選用磁過濾真空陰極電弧設(shè)備對(duì)真空室中旋轉(zhuǎn)夾上金屬材料用高能氬離子轟擊，待真空室冷卻至室溫，用磁分離金屬等離子體直流弧蒸發(fā)器沉積一定厚度的鉻過渡層，接著同時(shí)啟動(dòng)磁過濾直流陰極弧和脈沖陰極弧蒸發(fā)制備鉻摻雜非晶碳膜，并惰性氣氛圍中選用合適溫度和時(shí)間做退火處理，具體包括如下步驟:
[0007]第一步:金屬材料表面預(yù)處理；
[0008]第二步:預(yù)處理后的金屬材料表面刻蝕活化；
[0009]第三步:在活化后的金屬材料表面蒸鍍一定厚度的鉻過渡層；
[0010]第四步:在鉻過渡層上施鍍鉻摻雜類金剛石碳基薄膜；
[0011]第五步:將第五步制備的薄膜在惰性氣氛中表面退火處理。
[0012]第一步中，預(yù)處理是指將金屬材料依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲預(yù)處理10_20mino
[0013]第二步中，刻蝕活化是指利用鎢絲使氬氣離化成高能氬離子轟擊金屬基材表面并持續(xù) 10-20min。
[0014]第三步中，鉻過渡層采用磁過濾直流陰極弧蒸發(fā)裝置蒸鍍，直流陰極弧電流為5?300A，鉻過渡層厚度為10-200nm。
[0015]第四步中，施鍍鉻摻雜類金剛石碳基薄膜磁過濾直流陰極弧蒸發(fā)裝置和脈沖陰極弧蒸發(fā)裝置，直流陰極弧電流為5?300A，脈沖頻率為5?35Hz，鉻摻雜類金剛石碳基薄膜為 200 ?500nm。
[0016]第五步中，惰性氣氛為氮?dú)饣驓鍤獾葰怏w，退火溫度為200?450°C，退火時(shí)間為20 ?60mino
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下:(1)選用磁過濾真空陰極電弧設(shè)備，可以利用磁場(chǎng)過濾篩除大顆粒，調(diào)控等離子體能量，提高薄膜的質(zhì)量和性能(2)采用室溫沉積降低薄膜的殘余應(yīng)力，設(shè)計(jì)的鉻過渡層提高膜基間結(jié)合強(qiáng)度，鉻摻雜有效改善薄膜的缺陷提高薄膜性能(3制備的薄膜具有眾多優(yōu)良性能，如硬度大，耐摩擦磨損，抗腐蝕等性能，滿足一些特殊環(huán)境中使用的金屬材料表面防護(hù)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，化工品容器等。
【附圖說明】
[0018]附圖1是實(shí)施實(shí)例1制備的薄膜Raman光譜圖。
[0019]附圖3是實(shí)施實(shí)例2制備薄膜的表面形貌及接觸角。
[0020]附圖4是實(shí)施實(shí)例2制備薄膜的硬度與彈性模量。
[0021]附圖5是實(shí)施實(shí)例3制備薄膜的摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果圖。
[0022]附圖6是實(shí)施實(shí)例3制備的薄膜耐磨性測(cè)試結(jié)果圖。
[0023]附圖7是實(shí)施實(shí)例3制備制備的薄膜耐腐蝕性測(cè)試結(jié)果及腐蝕后表面形貌。
【具體實(shí)施方式】
:
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
[0025]實(shí)施實(shí)例1
[0026]如圖1、圖2、圖3中的薄膜制備步驟:
[0027]第一步:金屬材料依次在丙酮、無水乙醇、去離子水中超聲清洗lOmin，用吹風(fēng)機(jī)烘干保存；
[0028]第二步:把金屬材料放入真空室內(nèi)旋轉(zhuǎn)臺(tái)上，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至2r/min，關(guān)閉真空艙艙門，抽真空；
[0029]第三步:待真空室壓力達(dá)到5x10 6Pa，向真空室內(nèi)通入氬氣，啟動(dòng)離子濺射源，濺射清洗活化15min，關(guān)閉離子濺射源，關(guān)閉氬氣閥門，等待真空室冷卻至室溫；
[0030]第四步:待真空室內(nèi)溫度降到室溫，啟動(dòng)磁過濾直流陰極弧蒸發(fā)裝置，設(shè)置為陰極弧電流為50A，沉積鉻過渡層2min ;
[0031]第五步:啟動(dòng)脈沖陰極弧蒸發(fā)裝置，設(shè)置脈沖頻率5Hz，蒸鍍鉻摻雜類金剛石薄膜5min，取出薄膜；
[0032]第六步:重復(fù)第一步至第四步，第五步分別設(shè)置脈沖頻率10Hz，15Hz、20Hz制備鉻摻雜類金剛