钢制齿轮的表面复合处理方法及注意事项

　　一种钢制齿轮的表面复合处理方法

　　【技术领域】

　　[0001]本发明涉及金属材料表面改性方法，特别是一种钢制齿轮的表面复合处理方法。

　　【背景技术】

　　[0002]齿轮是各类机械传动系统的关键部件，广泛应用于汽车、船舶、飞机、火车等的传动装置，为了增加齿轮表面硬度，提高耐磨性，需要对齿轮进行表面处理。常用的传统技术主要有渗碳、氮化和表面淬火等。随着工业中对齿轮性能要求越来越高，传统的强化技术在生产成本、效益和提高齿轮性能方面的优势已渐不明显。

　　[0003]随着技术的进步，在传统的表面强化技术基础上，又涌现出了一些新型表面强化技术。如喷丸表面强化、激光表面淬火、先进的表面镀膜技术、等离子体沉积和表面冶金强化等，这些新技术拓宽了表面工程的应用范围，使其成为表面防腐、制造新材料、功能材料、复合材料以及表面装饰方面等不可缺少的工艺手段。

　　[0004]专利CN 101665940A公开了一种活塞环表面类金刚石复合涂层的制备方法，该方法通过低温等离子体渗氮技术和磁过滤阴极弧一一磁控溅射技术，在活塞环表面获得具有优异抗磨损与自润滑性能的氮化/类金刚石复合涂层。该方法得到的活塞环具有良好的抗磨与自润滑效果。

　　[0005]专利CN 203639559U公开了一种具有渗镀复合表面涂层的铝压铸模具，该方法先采用离子体渗氮在模具的模腔和冲头表面形成离子渗氮层，再采用磁控溅射技术在渗氮层表面镀TiAlN涂层，该方法处理后的模具具有耐高温、不易磨损等特点，提高了模具抗热疲劳能力，延长了模具的使用寿命。

　　[0006]专利CN 102877070A公开了一种钢制模具的表面复合处理方法，该方法对经热处理后的钢制模具先进行喷丸处理，然后通过离子渗氮技术在模具表面形成离子渗氮层，最后对模具表面再进行离子镀膜，采用该方法处理后的钢制模具具有表面硬度高、耐磨性好、镀膜结合度好，解决了现有传统模具表面在使用早期容易破坏的技术问题。

　　[0007]专利CN 1392285A公开了一种精密叶片热锻模具PCVD的等离子体渗镀复合强化方法，该方法将热处理后的叶片模具放入PCVD真空炉内进行等离子体渗氮，后采用PCVD沉积TiN或TiCN薄膜，采用该方法处理后的模具表面硬度、涂层与基体附着强度显著提高。

　　[0008]上述几种方法分别针对不同材料首先进行了等离子体渗氮、然后再以物理所相沉积或化学气相沉积的方法镀膜的复合处理，并取得了较好的强化效果。本发明专利的特点在于对钢制齿轮表面的原位、同炉等离子体渗氮、磁控溅射镀膜的复合处理。这种方法的成势在于I)提高表面强度的同时，2)实现了两中工艺的同炉连续完成，避免了二次抽真空及二次加热，缩短了工艺周期，提高了生产效率，3)减少了工件表面二次污染的机会，4)降低了生产成本。目前，尚未发现针对钢制齿轮表面的等离子氮化和磁控溅射镀膜的同炉渗、镀复合处理的报道。

　　【发明内容】

　　[0009]本发明提供了一种钢制齿轮的表面复合处理方法，能够提高齿轮表面硬度、耐磨性和膜基结合强度。

　　[0010]一种钢制齿轮的表面复合处理方法，其特征是该方法包括如下步骤:

　　[0011]一.工件前期处理

　　[0012]将调质处理后的齿轮精加工齿形，表面除油抛光后浸入丙酮中超声波清洗，乙醇脱水后烘干，然后放到非平衡磁控溅射镀膜机的工件架上；

　　[0013]二.抽真空及工件预热

　　[0014]启动非平衡磁控溅射设备的抽真空系统，待真空室本底真空达到3X 10 3Pa,开启加热系统将真空室加热到100°C -300°C，设定工件架旋转速度为30-100转/分钟，保温30-120分钟，去除真空室内残留气体；

　　[0015]三.等离子体清洗

　　[0016]向真空室通入氩气，真空室压强控制在0.5-2.0Pa，打开钨灯丝，灯丝电流10-30A，脉冲偏压电源对基体加负偏压，脉冲电源参数为100-300W功率、60KHz频率、50%占空比，钨灯丝加直流50-150V偏压，产生增强等离子体，对工件进行等离子体清洗10-60分钟；

　　[0017]四.等离子氮化处理

　　[0018]真空室升温到400 0C,通入氮气和氢气，氮气流量为70_30sccm，氢气流量为

　　20-80sccm，腔体压强控制在2.0Pa,氮化时间90-180分钟，直流偏压电源在基体上加负50~100ν 偏压；

　　[0019]五.二次等离子体清洗

　　[0020]关闭氮气和氢气，降低温度到300-350 °C，保温20_30分钟，重复步骤一次；

　　[0021]六.非平衡磁控溅射制备氮化物涂层

　　[0022]a.工件二次等离子体清洗后，降低氩气流量，调节真空室压强在0.2-1.0Pa,开启基体直流偏压25-150V，开启磁控靶电源；

　　[0023]b.在工件表面制备金属过渡层，靶功率设定为l_5KW，60KHz频率及50-80%占空比，镀膜1-10分钟;

　　[0024]c.在金属过渡层表面制备金属梯度过渡层，开启反应气体，反应气体氮气通入量为5-30sccm，继续镀膜15-60分钟；

　　[0025]d.在金属梯度过渡层表面制备氮化物表面层，增加氮气流量到10_50sccm，继续镀膜3-5小时；

　　[0026]七.关闭所有电源及气体，保持真空冷却2-3小时，打开真空室，取出复合处理后的工件。

　　[0027]本发明与现有同类技术相比，其显著的有益效果体现在:本发明处理的齿轮表面硬度高、耐磨性好和膜基结合度好，从而延长了齿轮的使用寿命。比传统齿轮表面处理工艺加工周期短、表面质量好。

　　【具体实施方式】

　　[0028]下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

　　[0029]实施例

　　[0030]一种38CrMoAl钢制齿轮的表面复合处理方法，该方法的步骤如下:

　　[0031]一.工件前期处理

　　[0032]将经840°C淬火，470°C回火的钢制齿轮(HRC41-45)经表面除油抛光后浸入丙酮中超声波清洗，乙醇脱水后烘干，然后放到非平衡磁控溅射镀膜机的工件架上；

　　[0033]二.抽真空及工件预热

　　[0034]启动非平衡磁控溅射设备的抽真空系统，待真空室本底真空达到3X 10 3Pa,开启加热系统将真空室加热到300°C，设定工件架旋转速度为30转/分钟，保温120分钟，去除真空室内残留气体；

　　[0035]三.等离子体清洗

　　[0036]向真空室通入氩气，真空室压强控制在0.5-2.0Pa，打开钨灯丝，灯丝电流10-30A，脉冲偏压电源对基体加负偏压，脉冲电源参数为100-300W功率、60KHz频率、50%占空比，钨灯丝加直流50-150V偏压，产生增强等离子体，对工件进行等离子体清洗60分钟；

　　[0037]四.等离子氮化处理

　　[0038]真空室升温到400°C，通入氮气和氢气，氮气的流量为70_30sccm，氢气的流量为80-20sccm，腔体压强控制在2.0Pa，氮化时间120分钟，直流偏压电源在基体上加负80~100ν 偏压；

　　[0039]五.二次等离子体清洗

　　[0040]关闭氮气和氢气，降低温度到300-350 °C，保温20_30分钟，重复步骤一次；

　　[0041]六.非平衡磁控溅射制备氮化物涂层

　　[0042]a.工件二次等离子体清洗后，降低氩气流量，调节真空室压强在0.4-1.0Pa,开启基体直流偏压50-100V，开启磁控靶电源；

　　[0043]b.Ti过渡层:靶功率5KW，占空比80 %，频率60KHz，温度350 °C，腔体压强0.5-0.7Pa, Ar80sccm，沉积时间 20min，膜厚在 0.2-0.4um ；

　　[0044]c.TiN 过渡层:革El功率 5-10KW，N210_40sccm，Arl50sccm，沉积时间 40min，膜厚0.6-0.8um ；

　　[0045]d.TiN 表层:革巴功率 12-4KW，N248sccm，Arl50sccm，沉积时间 5h，膜厚 5.0um。

　　[0046]七.关闭所有电源及气体，保持真空冷却2-3小时，打开真空室，取出复合处理后的工件。

　　[0047]齿轮的表面处理周期短、硬度高、耐磨性好、膜基结合强度高。

　　【主权项】

　　1.一种钢制齿轮的表面复合处理方法，其特征是该方法包括如下步骤: 一.工件前期处理 将调质处理后的齿轮精加工齿形，表面除油抛光后浸入丙酮中超声波清洗，乙醇脱水后烘干，然后放到非平衡磁控溅射镀膜机的工件架上； 二.抽真空及工件预热 启动非平衡磁控溅射设备的抽真空系统，待真空室本底真空达到3X 10 3Pa,开启加热系统将真空室加热到100°C -300°C，设定工件架旋转速度为30-100转/分钟，保温30-120分钟，去除真空室内残留气体； 三.等离子体清洗 向真空室通入氩气，真空室压强控制在0.5-2.0Pa，打开钨灯丝，灯丝电流10-30A，脉冲偏压电源对基体加负偏压，脉冲电源参数为100-300W功率、60KHz频率、50%占空比，钨灯丝加直流50-150V偏压，产生增强等离子体，对工件进行等离子体清洗10-60分钟； 四.等离子氮化处理 真空室升温到400 0C,通入氮气和氢气，氮气流量为70_30sccm，氢气流量为20-80sccm，腔体压强控制在2.0Pa,氮化时间90-180分钟，直流偏压电源在基体上加负50~100ν 偏压； 五.二次等离子体清洗 关闭氮气和氢气，降低温度到300-350°C，保温20-30分钟，重复步骤一次； 六.非平衡磁控溅射制备氮化物涂层 a.工件二次等离子体清洗后，降低氩气流量，调节真空室压强在0.2-1.0Pa，开启基体直流偏压25-150V，开启磁控靶电源； b.在工件表面制备金属过渡层，靶功率设定为l_5KW，60KHz频率及50-80%占空比，镀膜1-10分钟; c.在金属过渡层表面制备金属梯度过渡层，开启反应气体，反应气体氮气通入量为5-30sccm，继续镀膜15-60分钟； d.在金属梯度过渡层表面制备氮化物表面层，增加氮气流量到10-50sccm，继续镀膜3-5小时； 七.关闭所有电源及气体，保持真空冷却2-3小时，打开真空室，取出复合处理后的工件。

　　【专利摘要】本发明公开了一种钢制齿轮的表面复合处理方法，能够提高齿轮表面硬度、耐磨性和膜基结合强度。该方法包括的步骤包括：工件前期处理；抽真空及工件预热；等离子体清洗；等离子氮化处理；二次等离子体清洗；非平衡磁控溅射制备氮化物涂层；关闭所有电源及气体，保持真空冷却2-3小时，打开真空室，取出复合处理后的工件。本发明处理的齿轮表面硬度高、耐磨性好和膜基结合度好，从而延长了齿轮的使用寿命。比传统齿轮表面处理工艺加工周期短、表面质量好。

　　【IPC分类】C23C14/35, C23C28/04, C23C8/38, C23C14/06

　　【公开号】CN105132876

　　【申请号】CN201510589262

　　【发明人】郭媛媛, 李建伟, 吴川, 孟见成, 吴法宇, 周艳文, 王复栋

　　【申请人】辽宁科技大学

　　【公开日】2015年12月9日

　　【申请日】2015年9月15日

　　一种二氧化钒薄膜低温沉积方法

　　【技术领域】

　　[0001]本发明属于功能薄膜制备技术领域，涉及一种二氧化钒薄膜的制备工艺，尤其涉及一种二氧化钒薄膜低温沉积方法。

　　技术背景

　　[0002]VO2是一种固态热致相变材料，单晶VO 2在相变温度(T。)68 V时会从高温的四方晶系金红石型转变到低温的单斜晶系畸变金红石型，随着温度的变化它的晶态结构相应地发生从金属态到半导体态的一级位移相变。VO2的相变特性是热致相变，温度的变化会导致其电阻率、光透过率发生可逆的变化。太阳辐射的总能量中有98 %都是处于红外光与可见光波段，其中大多数都集中在红外波段，而VO2在发生半导体-金属相变时正好对红外波段的光透过率和反射率发生突变，二氧化钒这种特性使其成为智能节能窗材料的首选。夏天温度高时，V02#于高温金属态，此时其对红外光透过率很低，可以抑制红外光的入射，达到降低室温的目的；与之相反，当外界温度低于VO2薄膜的相变温度时，红外光可以以较高的透过率透过智能窗，使室内温度上升。将窗户安装上镀有VO2薄膜的玻璃，则可实现冬暖夏凉的目的。

　　[0003]VO2薄膜通常的沉积温度一般为450~500°C，或者通过常温沉积高温退火(450-5000C )方式获得，而窗玻璃通常是钢化玻璃，即玻璃制成后要经过约600°C的钢化过程。这给在窗用玻璃上制备乂02薄膜带来了困难:如果以钢化后玻璃来沉积VO 2薄膜，则由于沉积温度较高，玻璃原先的钢化效果将大大减弱；如果普通玻璃沉积￥02薄膜后再进行钢化，这时钢化温度太高，原先已镀制的￥02薄膜将失去相变性能。低温沉积技术则可以解决这个难题，即通过降低沉积温度，使沉积工艺可以直接在钢化玻璃上进行，具有重大应用价值。

　　[0004]本发明介绍了一种二氧化钒玻璃的低温制备方法，以钒为靶材，通过反应磁控溅射的技术，在沉积过程中添加基底负偏压的方法，实现了二氧化钒薄膜低温沉积目的，具有巨大的价值。

　　【发明内容】

　　[0005]本发明的目的在于提供一种工艺简单的高质量二氧化钒薄膜低温制备方法，制备工艺采用反应磁控溅射技术，磁控溅射是通过在靶阴极表面引入磁场，利用磁场对电子的约束来提高等离子密度以增加溅射率的方法，反应磁控溅射是在磁控溅射过程中以金属为靶材，通过通入活性气体和溅射出的金属原子反应制备化合物薄膜的方法。

　　[0006]为了实现上述目的，本发明的技术方案具体为:

　　一种二氧化钒薄膜低温沉积方法，采用磁控溅射技术，以金属钒或钒合金为靶材，以氧气为反应气体，氩气为溅射气体；制备薄膜前，先将真空室抽至低于1X10 3Pa本底真空，然后通入氧气和氩气混合气体，氧分压保持为0.01-0.06Pa，在沉积薄膜过程中，控制沉积温度为240?260°C，并在基底添加负偏压，靶表面溅射功率密度为2-3W/cm2，在基底表面得到高性能的VO2薄膜。该方法不需要退火等后处理过程，直接制备出VO 2薄膜。

　　[0007]进一步的，在所述沉积薄膜过程中，在基底添加负偏压，偏压大小为-100V ~-250Vo

　　[0008]进一步的，所述基底为普通玻璃、石英玻璃、钢化玻璃、蓝宝石、玻璃钢或不锈钢。

　　[0009]优选的，所述基底为钢化玻璃。

　　[0010]优选的，在所述沉积薄膜过程中，控制沉积温度为240°C。

　　[0011]优选的，靶表面溅射功率密度为2W/cm2。

　　[0012]一种二氧化钒薄膜低温沉积方法，主要用于在以钢化玻璃为基底时的二氧化钒薄膜沉积。具体采用反应磁控溅射技术，以金属钒或钒合金为靶材，以氧气为反应气体，氩气为溅射气体；制备薄膜前，先将真空室抽至低于I X 10 3Pa本底真空，然后通入氧气和氩气混合气体，氧分压保持为0.01-0.06Pa，在沉积薄膜过程中，控制沉积温度为240°C，并在基底添加负偏压，偏压大小为-100V ~ -250V ;靶表面溅射功率密度为2-3W/cm2，制备出高性能的VO2薄膜。

　　[0013]本发明具有以下技术效果:

　　1.本发明的低温沉积方法将VO2薄膜的沉积温度由通常的400-500°C，最低降低到了约240°C，并配合适当的负偏压及其他工艺参数制备出具有良好相变性能的高性能￥02薄膜；大大降低了生产成本；且尤其针对在不改变钢化玻璃的钢化效果的前提下，在钢化玻璃表面能够形成高性能VO2薄膜，进而使得其与现有钢化玻璃的工艺兼容性大大提高，具有非常大的应用价值。

　　[0014]2.本发明的乂02薄膜的低温沉积，避免了沉积后高温退火工艺，简化了生产工艺，节约制造成本，制备过程中不涉及对环境有污染的原材料。不需要后处理工艺，一次在低温下制备出二氧化钒薄膜。

　　[0015]3.本发明在智能窗等多个领域有广泛应用前景。

　　【附图说明】

　　[0016]图1为本发明实施例1中-150V负偏压下钨掺杂VO2薄膜不同温度下的透射谱；图2为本发明实施例2中-200V负偏压下钨掺杂VO2薄膜不同温度下的透射谱；

　　图3为本发明实施例2中-185V负偏压下纯VO2薄膜不同温度下的透射谱。

　　[0017]

　　【具体实施方式】

　　[0018]实施例1

　　本实施例中VO2薄膜的制备是采用直流反应磁控溅射，以钒钨合金靶(W at.%=0.81%)为靶材，基底为K9玻璃，经过酒精和去离子水分别超声清洗10分钟，薄膜制备时的本底真空为6X10 4Pa,以氧气和氩气为反应气体和溅射气体，制备薄膜前，先对靶材预溅射10分钟以去除表面污染物，工作真空为0.5Pa，氧分压0.02Pa，沉积温度保持为245°C，在沉积薄膜过程中，在基底添加负偏压，偏压大小为-150V，溅射功率为80W，沉积时间为30min得到均匀致密的VO2薄膜。其中，本实施例采用钒钨合金靶，通过调节靶材中钨含量可方便地调节VO2薄膜的相变温度。所制备二氧化钒薄膜样品相变前后样品透过率随波长变化曲线见图1，由图可见，所制备薄膜二氧化钒相变温度低，具有良好相变和红外调节性能。

　　[0019]

　　实施例2

　　二氧化银薄膜的制备是采用直流反应磁控派射，以掺妈的银妈合金革G(W.at.0Zo=0.81%)为靶材，基底为钢化玻璃，经过酒精和去离子水分别超声清洗10分钟，薄膜制备时的本底真空为6 X 10 4Pa,以氧气和氩气为反应气体和溅射气体，制备薄膜前，先把靶材预溅射1min以去除表面污物，工作真空为0.5Pa，氧分压为0.02Pa，沉积温度保持为240°C，在沉积薄膜过程中，在基底添加-200V负偏压，溅射功率为80W，沉积时间为30min，则在钢化玻璃基底上得到均匀致密的二氧化钒薄膜。所得制备二氧化钒薄膜样品相变前后样品透过率随波长变化曲线见图2，由图可见，所制备薄膜具有良好相变性能。且本实施例中所采用的基底为钢化玻璃，为不影响钢化玻璃的钢化效果，将￥02薄膜的沉积温度保持在240°C，并配合适当的负偏压及其他工艺参数，在钢化玻璃表面形成具有良好相变性能的高性能VO2薄膜；大大降低了生产成本。与实施例1相比，本实施例主要目的在于在钢化玻璃表面形成VO2薄膜，为实现该目的，本实施例将沉积温度保持在240°C，对基底添加适当的负偏压大小，并配合其他工艺参数，以在钢化玻璃表面获得具有良好相变性能的高性能VO2薄膜。另外所得￥02薄膜的相变温度等相变性能与实施例1也有不同。

　　[0020]

　　实施例3

　　二氧化钒薄膜的制备是采用直流反应磁控溅射，以纯钒为靶材，基底为K9玻璃，经过酒精和去离子水分别超声清洗10分钟，薄膜制备时的本底真空为6 X 10 4Pa,以氧气和氩气为反应气体和溅射气体，制备薄膜前，先把靶材预溅射1min以去除表面污物，工作真空为

　　0.5Pa，氧分压为0.02Pa，沉积温度保持为250°C，在沉积薄膜过程中，在基底添加-185V负偏压，溅射功率为80W，沉积时间为30min得到均匀致密的VO2薄膜。所得制备二氧化钒薄膜样品相变前后样品透过率随波长变化曲线见图3，由图可见，所制备薄膜具有良好相变性會K。

　　[0021]本发明详述的上述实施方式，及以下实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

　　【主权项】

　　1.一种二氧化钒薄膜低温沉积方法，其特征在于，所述二氧化钒薄膜低温沉积方法采用磁控溅射技术，以金属钒或钒合金为靶材，以氧气为反应气体，氩气为溅射气体；制备薄膜前，先将真空室抽至低于1X10 3Pa本底真空，然后通入氧气和氩气混合气体，氧分压保持为0.01—0.06Pa，在沉积薄膜过程中，控制沉积温度为240?260 °C，并在基底添加负偏压，靶表面溅射功率密度为2-3W/cm2，制备在基底表面得到高性能的VO2薄膜。2.根据权利要求1所述的二氧化钒薄膜低温沉积方法，其特征在于，在所述沉积薄膜过程中，在基底添加负偏压，偏压大小为-100V ~ -250V。3.根据权利要求1所述的二氧化钒薄膜低温沉积方法，其特征在于，所述基底为普通玻璃、石英玻璃、钢化玻璃、蓝宝石、玻璃钢或不锈钢。4.根据权利要求1或3所述的二氧化钒薄膜低温沉积方法，其特征在于，所述基底为钢化玻璃。5.根据权利要求1或2或3所述的二氧化钒薄膜低温沉积方法，其特征在于，在所述沉积薄膜过程中，控制沉积温度为240°C。6.根据权利要求1所述的二氧化钒薄膜低温沉积方法，其特征在于，靶表面溅射功率密度为2W/cm2。7.根据权利要求1或2或3所述的二氧化钒薄膜低温沉积方法，其特征在于，该工艺不需要退火等后处理过程，直接制备出VO2薄膜。8.一种二氧化钒薄膜低温沉积方法，其特征在于，所述二氧化钒薄膜低温沉积方法采用反应磁控溅射技术，以金属钒或钒合金为靶材，选用钢化玻璃作为基底，以氧气为反应气体，氩气为溅射气体；制备薄膜前，先将真空室抽至低于I X 10 3Pa本底真空，然后通入氧气和氩气混合气体，氧分压保持为0.01-0.06Pa，在沉积薄膜过程中，控制沉积温度为240°C，并在基底添加负偏压，偏压大小为-100V ~ -250V;靶表面溅射功率密度为2-3W/cm2，制备得到高性能的VO2薄膜。

　　【专利摘要】本发明公开了一种低温沉积二氧化钒薄膜的方法，采用磁控溅射技术，以金属钒或钒合金为靶材，以氧气为反应气体，氩气为溅射气体；制备薄膜前，先将真空室抽至低于1×10-3Pa本底真空，然后通入氧气和氩气混合气体，氧分压保持为0.01—0.06Pa，在沉积薄膜过程中，控制沉积温度为240～260℃，并在基底添加负偏压，靶表面溅射功率密度为2-3W/cm2，在基底表面得到高性能的VO2薄膜。本发明的低温沉积方法将VO2薄膜的沉积温度低，并配合适当的负偏压及其他工艺参数制备出的薄膜均匀致密、二氧化钒相变温度低，具有良好相变性能的高性能VO2薄膜；大大降低了生产成本。

　　【IPC分类】C23C14/35, C23C14/08

　　【公开号】CN105132877

　　【申请号】CN201510590007

　　【发明人】张东平, 朱茂东, 杨凯, 范平, 蔡兴民, 罗景庭, 钟爱华, 林思敏

　　【申请人】深圳大学

　　【公开日】2015年12月9日

　　【申请日】2015年9月16日

　　一种在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法

　　【技术领域】

　　[0001] 本发明涉及一种在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法，属于硅表面改 性技术领域。

　　【背景技术】

　　[0002] 机械零部件和器械表面因摩擦磨损造成的低效率、低寿命、资源和能源浪费等问 题在工业化生产和应用中时常可见，如发动机部件、切削刀具等。对基体材料进行表面涂层 处理是减少或消除摩擦磨损的有效措施之一。类金刚石碳薄膜具有高硬度、高耐磨性、低摩 擦系数、化学惰性、良好生物相容性等优异性能，被广泛用作零部件、工(模）具、器械表面的 耐磨层和保护层。在发动机部件（汽缸、挺杆、活塞等）的表面引入高硬、低摩擦系数的类 金刚石膜，可降低因磨损带来的油耗达2%左右。将剥离性好、摩擦阻力小的类金刚石膜应 用到硬质合金刀具上，在减少粘刀问题的同时显著降低刀具的磨损，提高其使用寿命。然 而，类金刚石薄膜在实际应用过程中却常因膜基结合强度低等问题发生分层、剥落和失效， 极大地限制其应用推广。因此，解决类金刚石薄膜引入后的低膜基结合强度问题显得尤为 关键和迫切。

　　[0003] 类金刚石薄膜与基体材料的热膨胀系数不匹配造成的界面应力或热应力是膜基 结合强度低的原因之一。综合国内外文献分析，为了减小膜基之间物性差异，常引入中间层 (过渡层或梯度层）制备类金刚石基多层薄膜来改善界面应力。与单纯类金刚石薄膜相比， 多层薄膜体系具有较高的粘合强度、摩擦性能和相对低的内应力。此外，这样的多层体系可 以提供独特的表面结构，例如在表面上形成纳米晶体，而纯类金刚石膜一般表现出无定形 表面形貌。显然，当金属层厚度在纳米尺度时，其厚度将对多层薄膜的组成和结构产生特定 的影响，如金属表面对碳团簇的合成起到催化或抑制效果，特别是对于在界面上发生扩散 和化学相互作用过程的情况。注意到在反应介质中引入纳米颗粒能够显著增强固体表面对 结构特征、动力学和化学作用过程的催化活性。由于钛可以与碳原子形成化学键，并且钛层 经常作为多层体系的中间层或缓冲层。因此，钛功能层与类金刚石薄膜之间可以形成原子 混合的扩散结合界面或化学键合界面，获得更佳的机械、化学联结和更匹配的热膨胀系数， 从而减小膜内应力，提高结合强度。

　　【发明内容】

　　[0004] 本发明旨在提供一种在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法，所得薄膜 产品在硅基片上具有高硬度和高膜基结合强度。

　　[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的： 本发明采用一种直流和脉冲双激发源阴极电弧镀膜装置，包括真空室、直流阴极电弧 装置、脉冲阴极等离子弧装置和真空退火装置；真空室后壁安装直流钛阴极弧源和脉冲碳 阴极弧源，钛阴极靶外部设有上下一组相结合的偏转磁过滤系统；真空室底部装有圆形旋 转样品台，样品台中心正对脉冲石墨阴极电弧靶，样品台下端在真空室外部连接偏压电源； 脉冲碳阴极靶外圈设有石墨阳极靶，上方设有溅射离子源；真空室后壁下方设有抽气通道， 外侧连接抽真空装置，真空室上部设有进气孔，进气孔前端设有流量计；所述真空退火装置 包括小型真空室、加热板和引入电极。

　　[0006] -种在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法，采用单晶硅片作为基底， 通过离子源对硅基片表面进行溅射清洗；以高纯的金属钛和石墨作为靶材，采用直流和脉 冲双激发源阴极等离子体放电技术，分别制备钛纳米功能层和类金刚石薄膜；最后进行退 火处理制得。

　　[0007] 所述的含有钛纳米功能层的类金刚石多层薄膜的制备方法，包括以下步骤： (1) 基体表面处理：将单晶硅片依次放入丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水中分别进行 超声清洗10 min，除去表面的油脂及其他污染物，然后将基体置于烘箱干燥待用； (2) 将预处理过的硅基片固定在阴极电弧装置的真空室内的旋转样品台上，高纯钛靶 和石墨靶分别安装在直流阴极电弧和脉冲阴极电弧的蒸发器上； (3) 用抽真空装置对真空室抽真空，使真空度达到4X10_4~6X10_4 Pa;通过进气口 通入氩气到真空室内，氩气的流量由流量计控制，使真空室气压稳定在3XKT2~6X1(T 2 Pa ;开启旋转样品台，采用离子源对硅基片进行溅射清洗，然后冷却至室温； (4) 关闭氩气进气口，开启直流阴极电弧蒸发电源，调节阴极电压到60~90 V，阴极电 流为60-70 A，在旋转的硅基片上沉积钛功能层，沉积时间1-7 min; (5) 钛功能层沉积完毕后，在真空室内放置至20~40°C ;开启脉冲阴极电弧蒸发源，调 节阴极电压在300~350V，脉冲频率为3~6 Hz，在预制的钛功能层上沉积类金刚石薄膜； (6) 将制备的类金刚石多层膜放入真空炉中进行退火处理，真空炉气压 1X10_3~3X1(T3 Pa，退火时间40~60 min，最终制得钛/类金刚石纳米多层薄膜。

　　[0008] 上述制备方法中，所述步骤（3)中离子溅射清洗的时间为10~15 min，氩离子的能 量和束流密度分别为2~4 keV和15~25 A/m2。

　　[0009] 上述制备方法中，所述步骤（5)中脉冲阴极电弧制备类金刚石膜时，脉冲数为 370-3000〇

　　[0010] 上述制备方法中，所述步骤（3)~(5)中溅射清洗和沉积薄膜时样品台的转速为 1-3 r/min〇

　　[0011] 上述制备方法中，所述步骤（6)中真空退火温度为350-550 °C。

　　[0012] 本发明的有益效果： (1) 采用本发明制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜，钛和碳原子在钛/碳界面发生完 全扩散，形成扩散结合界面和化学键合界面，因此界面应力低，膜基结合强度高； (2) 采用本发明制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜，具有纳米结构的表面，因此可以 调控非晶类金刚石薄膜的表面结构； (3) 采用本发明制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜，工艺可操作性强，可以在很大范 围内控制碳等离子体流的能量和数量； (4) 采用本发明制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜，与单纯的类金刚石薄膜相比，具 有较高的硬度和较好的减摩耐磨性能，因此可以实现对机械零部件和器械的表面改性，减 少其表面摩擦磨损。

　　【附图说明】

　　[0013] 图1为本发明镀膜装置结构示意图； 图2为本发明真空退火装置结构示意图； 图3为实施例1制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜的横截面扫描电镜照片； 图4为实施例1制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜的俄歇深度剖面分析； 图5为实施例2制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜的横截面扫描电镜照片； 图6为实施例2制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜的俄歇深度剖面分析； 图7为实施例1制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜的原子力显微镜照片。

　　[0014] 图8为实施例2制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜的原子力显微镜照片。

　　[0015] 图中：1、真空室；2、直流钛阴极电弧电源；3、脉冲碳阴极电弧电源；4、直流钛阴极 靶；5、偏转磁过滤系统；6、旋转样品台；7、脉冲石墨阴极靶；8、偏压电源；9、脉冲石墨阳极 靶；10、抽气通道；11、抽真空装置；12、进气孔；13、气体流量计，14、小型真空室，15、加热 板，16、引入电极。

　　【具体实施方式】

　　[0016] 下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

　　[0017] 基体表面改性过程中采用的镀膜装置为： 直流和脉冲双激发源阴极电弧镀膜装置结构如图1所示，包括真空室1、直流阴极电弧 装置、脉冲阴极等离子弧装置和真空退火装置；真空室1后壁安装直流钛阴极电弧电源2和 脉冲碳阴极电弧电源3,钛阴极靶4外部设有上下一组相结合的偏转磁过滤系统5 ;真空室 1底部装有圆形旋转样品台6,样品台中心正对脉冲石墨阴极电弧靶7,样品台下端在真空 室外部连接偏压电源8 ;脉冲石墨阴极电弧靶7外圈设有脉冲石墨阳极靶9,上方设有溅射 离子源；真空室1后壁下方设有抽气通道10,外侧连接抽真空装置11，真空室1上部设有进 气孔12,进气孔12前端设有气体流量计13 ;如图2所示，所述真空退火装置包括小型真空 室14、加热板15和引入电极16。

　　[0018] 首先提供采用现有技术在硅基片表面制备类金刚石单层膜的方法，作为对比实施 例。然后再对本发明做进一步说明。

　　[0019] 对比实施例： 对直径20 _、厚度为0. 5 mm的单晶娃基片进行试验，其操作步骤如下： (1) 硅基片表面处理：将单晶硅片依次放入丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水中各超声 清洗10 min，除去表面的油脂及其他污染物，然后将基体置于烘箱干燥待用； (2) 将预处理过的硅基片固定在如图1所示的阴极电弧装置的真空室1内的旋转样品 台上6,石墨靶7安装在脉冲阴极电弧3的蒸发器上； (3) 用抽真空装置11对真空室1抽真空，使真空度达到6X10_4 Pa;通过进气口 12通 入氩气到真空室1内，氩气的流量由流量计13控制，使真空室气压稳定在5X10_2 Pa ;开启 旋转样品台6,采用离子源对硅基片进行溅射清洗，氩离子的能量和束流密度分别为3 keV 和~25 A/m2,清洗时间15 min，然后冷却至室温； (4) 关闭氩气进气口 12,开启脉冲阴极电弧电源3,调节阴极电压在300 V，脉冲频率 为

　　3 Hz，在旋转的硅基片上沉积类金刚石单层膜，脉冲数为1500,样品台转速2 r/min。

　　[0020] 在硅基片表面制备出类金刚石单层膜。

　　[0021] 下面详细说明本发明制备方法： 实施例1: 采用图1、图2所示的装置在硅基片表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜。

　　[0022] 对直径20 _、厚度为0. 5 mm的单晶娃基片进行试验，其操作步骤如下： (1)硅基片表面处理：将单晶硅片依次放入丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水中各超声 清洗10 min，除去表面的油脂及其他污染物，然后将基体置于烘箱干燥待用； (2) 将预处理过的硅基片固定在如图1所示的阴极电弧装置的真空室1内的旋转样品 台上6,高纯钛靶4和石墨靶7分别安装在直流阴极电弧2和脉冲阴极电弧3的蒸发器上； (3) 用抽真空装置11对真空室1抽真空，使真空度达到6X10_4 Pa;通过进气口 12通 入氩气到真空室1内，氩气的流量由流量计13控制，使真空室气压稳定在5X10_2 Pa ;开启 旋转样品台6,采用离子源对硅基片进行溅射清洗，氩离子的能量和束流密度分别为3 keV 和~25 A/m2,清洗时间15 min，然后冷却至室温； (4) 关闭氩气进气口 12,开启直流钛阴极电弧蒸发电源2,调节阴极电压到60 V，阴极 电流为70 A，在旋转的娃基底上6沉积钛功能层，沉积时间3 min，样品台转速2 r/min; (5) 钛功能层沉积完毕后，在真空室1内放置至室温；开启脉冲阴极电弧电源3,调节 阴极电压在300 V，脉冲频率为3 Hz，在预制的钛功能层上沉积类金刚石薄膜，脉冲数为 1500,样品台转速2 r/min; (6) 将制备的类金刚石多层膜放到如图2所示的真空退火装置的真空室14中的加热 铜板15上退火处理，真空室14气压3 XKT 3 Pa，退火温度为500 °C，退火时间40 min。

　　[0023] 实施例2: 采用图1、图2所示的装置在硅基片表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜。

　　[0024] 对直径20 _、厚度为0. 5 mm的单晶娃基片进行试验，其操作步骤如下： (1) 硅基片表面处理：将单晶硅片依次放入丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水中各超声 清洗10 min，除去表面的油脂及其他污染物，然后将基体置于烘箱干燥待用； (2) 将预处理过的硅基片固定在如图1所示的阴极电弧装置的真空室1内的旋转样品 台上6,高纯钛靶4和石墨靶7分别安装在直流阴极电弧2和脉冲阴极电弧3的蒸发器上； (3) 用抽真空装置11对真空室1抽真空，使真空度达到6X10_4 Pa;通过进气口 12通 入氩气到真空室1内，氩气的流量由流量计13控制，使真空室气压稳定在5X10_2 Pa ;开启 旋转样品台6,采用离子源对硅基片进行溅射清洗，氩离子的能量和束流密度分别为4 keV 和~25 A/m2,清洗时间15 min，然后冷却至室温； (4) 关闭氩气进气口 12,开启直流钛阴极电弧蒸发电源2,调节阴极电压到70 V，阴极 电流为80 A，在旋转的娃基底上6沉积钛功能层，沉积时间2 min，样品台转速2 r/min; (5) 钛功能层沉积完毕后，在真空室1内放置至室温；开启脉冲阴极电弧电源3,调节 阴极电压在350 V，脉冲频率为5 Hz，在预制的钛功能层上沉积类金刚石薄膜，脉冲数为 2500,样品台转速2 r/min ; (6) 将制备的类金刚石多层膜放到如图2所示的真空退火装置的真空室14中的加热 铜板15上退火处理，真空室14气压3 XKT 3 Pa，退火温度为500 °C，退火时间40 min。

　　[0025]下面对制得的产品进行性能测试： 1、钛/类金刚石纳米多层薄膜的表面结构： 图3、图4分别示出了实施例1所制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜的横截面扫描电镜 照片和俄歇深度剖面分析；图中显示，钛和碳原子在钛/碳界面发生完全扩散，无明显的钛 /碳分界面，所得薄膜具有纳米结构的表面。

　　[0026] 图5、图6分别示出了实施例2所制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜的横截面扫描 电镜照片和俄歇深度剖面分析；图中显示，钛和碳原子在钛/碳界面发生完全扩散，无明显 的钛/碳分界面，所得薄膜具有纳米结构的表面。

　　[0027] 结果表明：通过引入钛纳米层可以很好地调控非晶类金刚石薄膜的表面结构。

　　[0028] 2、钛/类金刚石纳米多层薄膜与类金刚石单层膜的力学性能比较： 通过显微硬度计和X射线能廓仪测试力学性能，测试结果见表1。

　　[0029] 表 1

　　结果表明，类金刚石单层薄膜的努氏硬度和内应力分别为1509HK和3. 9 GPa ;采用实 施例1和实施例2制备的钛/类金刚石纳米多层膜的硬度分别升高到1683HK和1591HK，而 内应力降低到1.6 GPa和1.8 GPa。结论：与类金刚石单层膜相比，本发明制备的钛/类金 刚石纳米多层薄膜具有较高硬度和较低应力。

　　[0030] 3、钛/类金刚石纳米多层薄膜与类金刚石单层膜的减摩耐磨性能比较： 以GCrl5钢球作为对磨副进行球-盘摩擦学实验，测试结果见表2。

　　[0031] 表 2

　　结果表明，与类金刚石单层膜相比，采用实施例1制备的钛/类金刚石纳米多层膜的 摩擦系数由0. 3降低到0. 22,实施例2制备的钛/类金刚石纳米多层膜的摩擦系数增加到 〇? 36 ;而磨损率由 4. 6XKT 17 m3/N ?!!!分别降低到 1. 8XKT 17 m3/N ?!!!和 0? 17X10- 17 m3/ N 因此，本发明制备的类金刚石多层膜作为基本结构单元，通过控制钛和类金刚石层的 工艺，能够对机械零部件和器械表面改性，减少其表面摩擦磨损。

　　【主权项】

　　1. 一种在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法，其特征在于：采用单晶硅片 作为基底，通过离子源对硅基片表面进行溅射清洗；以高纯的金属钛和石墨作为靶材，采用 直流和脉冲双激发源阴极等离子体放电技术，分别制备钛纳米功能层和类金刚石薄膜；最 后进行退火处理制得。2. 根据权利要求1所述的在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的制备方法，其特 征在于：包括以下步骤： (1) 基体表面处理：将单晶硅片依次放入丙酮溶液、乙醇溶液和去离子水中分别进行 超声清洗10 min，除去表面的油脂及其他污染物，然后将基体置于烘箱干燥待用； (2) 将预处理过的硅基片固定在阴极电弧装置的真空室内的旋转样品台上，高纯钛靶 和石墨靶分别安装在直流阴极电弧和脉冲阴极电弧的蒸发器上； (3) 用抽真空装置对真空室抽真空，使真空度达到4X10_4~6X10_4 Pa;通过进气口 通入氩气到真空室内，氩气的流量由流量计控制，使真空室气压稳定在3X1(T2~6X KT2 Pa ;开启旋转样品台，采用离子源对硅基片进行溅射清洗，然后冷却至室温； (4) 关闭氩气进气口，开启直流阴极电弧蒸发电源，调节阴极电压到60~90 V，阴极电 流为60-70 A，在旋转的硅基片上沉积钛功能层，沉积时间1-7 min; (5) 钛功能层沉积完毕后，在真空室内放置至20~40°C ;开启脉冲阴极电弧蒸发源，调 节阴极电压在300~350 V，脉冲频率为3~6 Hz，在预制的钛功能层上沉积类金刚石薄膜； (6) 将制备的类金刚石多层膜放入真空炉中进行退火处理，真空炉气压 1X10_3~3X1(T3 Pa，退火时间40~60 min，最终制得钛/类金刚石纳米多层薄膜。3. 根据权利要求2所述的在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法，其特征在 于：所述步骤（3)中离子溅射清洗的时间为10~15 min，氩离子的能量和束流密度分别为 2~4 keV 和 15~25 A/m2。4. 根据权利要求2所述的在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法，其特征在 于：所述步骤（5)中脉冲阴极电弧制备类金刚石膜时，脉冲数为370-3000。5. 根据权利要求2所述的在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法，其特征在 于：所述步骤（3)~(5)中派射清洗和沉积薄膜时样品台的转速为1-3 r/min。6. 根据权利要求2所述的在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法，其特征在 于：所述步骤（6)中真空退火温度为350-550 °C。

　　【专利摘要】本发明公开了一种在硅表面制备钛/类金刚石纳米多层薄膜的方法。具体包括下列步骤：将预先化学清洗的单晶硅基片烘干，放置于阴极电弧装置的旋转样品台上；抽真空，通入氩气到真空室，通过离子源对硅基片表面进行溅射清洗；以高纯的金属钛和石墨作为靶材，采用直流和脉冲双激发源阴极等离子体放电技术，分别制备钛纳米功能层和类金刚石薄膜；根据需要进行后期真空退火处理。该方法制备工艺简单，可用于制备不同表面结构的类金刚石纳米多层复合薄膜。本发明制备的钛/类金刚石纳米多层薄膜具有高硬度、低应力和减摩耐磨损性能。

　　【IPC分类】C23C14/46

　　【公开号】CN105132878

　　【申请号】CN201510577451

　　【发明人】周兵, 刘竹波

　　【申请人】太原理工大学

　　【公开日】2015年12月9日

　　【申请日】2015年9月11日