專利名稱：一種無氫摻硅類金剛石膜層及其制備方法
技術領域：
本發明涉及ー種金屬表面膜層及其制備方法，特別涉及一種無氫摻硅類金剛石膜層及其制備方法。
背景技術：
類金剛石碳膜(Diamond-like carbon, DLC)具有高硬度、較低的摩擦系數以及良好的耐磨性而獲得了廣泛的應用。但是，限制DLC膜層應用的兩個主要問題是膜層的內應カ較大，導致膜層與基體之間的結合程度較差；另外，DLC膜層對環境濕度的變化非常敏感，有研究表明，DLC膜層的摩擦系數隨著環境濕度的增加而増大，在高濕度條件下很難保持較低的摩擦系數。隨著現代科學技術的迅猛發展，對精密傳動部件在不同環境下的精確度、可靠性、靈敏度和傳動效率方面的要求越來越高，因此，開發新型的具有良好力學性能和耐磨性能的摻雜類金剛石膜層迫在眉睫。近幾年來，科研工作者通過向膜層中添加金屬或非金屬元素來進ー步提高類金剛石膜層的綜合性能。其中，向類金剛石膜層中摻入Si元素不僅能夠降低膜層的內應力、提高熱穩定性能，而且還可以降低膜層對環境濕度變化的敏感性。據報道，Si含量在3 6%吋，類金剛石膜層的摩擦系數受環境濕度的變化甚小， 可大大提高精密儀器的精度。目前，所制備的Si-DLC膜層主要分為含氫摻硅類金剛石膜層(Si-DLC(H))和無氫摻硅類金剛石膜層(Si-DLC)兩種。目前，大多數研究報道的是含氫摻硅類金剛石膜層的制備，主要使用射頻等離子化學氣相沉積技術、化學氣相沉積和物理氣相沉積相結合的復合沉積技術，具有沉積速率快的優點。但是，這些制備方法普遍存在ー些缺點(I)膜層本身硬度相對較低，在大氣條件下的耐磨損性能相對較差；(2)采用射頻等離子化學氣相沉積技術，通常使用含Si的碳氫氣體，如SiH4或Si (CH3)4作為Si源。氫的引入不僅會破壞摻硅類金剛石膜層的三維網絡結構，進而降低其力學性能，而且大多數含Si的碳氫氣體有毒，對人體的健康以及環境有很大的危害；(3)射頻電源對設備及操作者存在一定的危害隱患。目前，無氫摻硅類金剛石膜層的制備研究報道較少。CN101109064A公開了ー種摻硅無氫類金剛石薄膜的鍍制方法。趙棟才等人(物理學報，2008,57(3))利用脈沖電弧離子鍍技術，通過調整摻硅石墨靶和純石墨靶的數量制備不同含硅量的類金剛石膜層。 研究表明，該技術所制備的不同含硅量的Si-DLC膜層的摩擦系數變化較大，當含硅量小于6. 17at. %時，摩擦系數均為0. 15 ;當含硅量高達28at. %時，膜層的摩擦系數很快升至 0. I0 Monteiro 等人(Surface and Coatings Technology 163 164,2003,144-148)米用雙源過濾陰極電弧離子鍍技術沉積Si-DLC膜層。研究表明，所制備的含硅量3at.
5at. %,6at. %的Si-DLC膜層，當加載載荷為0. 2 0. 4N時，摩擦系數均在0. 20以上。以上報道均采用電弧離子鍍技術制備摻硅類金剛石膜，膜層的摩擦系數相對較高，難以滿足精密傳動部件的應用要求。
發明內容
本發明針對目前無氫摻硅類金剛石膜層摩擦系數較高的問題，提供ー種膜/基結合強度高、沉積速率較快、摩擦系數和磨損率較低的無氫摻硅類金剛石膜層。本發明的另ー個目的是提供ー種上述無氫摻硅類金剛石膜層的制備方法。本發明是通過以下技術方案實現的所述的無氫摻硅類金剛石膜層依次由基體
I ，金屬層2 ;金屬碳化物層3 ;摻娃類金剛石膜層4構成。所述基體為模具鋼、不銹鋼或硬質合金。本發明所述的無氫摻硅類金剛石膜層的制備方法采用直流磁控濺射石墨靶、中頻磁控濺射碳化硅靶或硅靶以及離子源輔助沉積，本底真空度小于5X10_3Pa，溫度150 250°C,エ件架轉速I 5rpm條件下,依次包括如下步驟(I)氬離子清洗基體氬氣流量120 300sccm，爐壓0. 20 0. 6Pa,離子源功率 400 600W，偏壓600 1000V，清洗時間10 30min ；(2)沉積金屬層和金屬碳化物層氬氣流量120 240sccm，爐壓0. 2 0. 4Pa，離子源功率200 500W ;沉積金屬層時，金屬靶濺射功率800 1000W，偏壓400 600V，沉積時間10 20min ;沉積金屬碳化物層時，金屬靶濺射功率600 1000W ;石墨靶濺射功率 1200 2000W，偏壓100 200V，沉積時間10 30min ；(3)沉積無氫摻娃類金剛石膜層||氣流量100 200sccm,偏壓50 150V,爐壓 0. 2 0. 4Pa。SiC靶或Si靶濺射功率50 650W，石墨靶濺射功率1600 2000W，離子源功率100 400W，沉積時間4 6h。所述金屬靶為Cr、Ti或W靶。本發明專利提供了一種無氫摻硅類金剛石膜層及其制備方法，即先使用磁控濺射技術沉積金屬層和金屬碳化物層，然后采用直流磁控濺射石墨靶制備類金剛石膜層，同時使用中頻磁控濺射SiC靶或Si靶來摻雜Si元素，中頻靶工作時交替作為陰極或陽極，既能有效抑制靶面“打火”和“陽極消失”的現象，又能提高膜層的沉積速率；在整個鍍膜過程中采用離子源輔助沉積，進一歩提高離化率，從而可提高膜層的硬度、耐磨性和結合力等性能。采用此多技術復合的沉積方法，可制備出綜合性能優異的無氫摻硅類金剛石膜。
圖I為基體/Me/MeC/Si-DLC膜層示意圖。其中I為基體；2為金屬層；3為金屬碳化物層；4為無氫摻硅類金剛石膜層。
具體實施例方式本發明可通過以下實施例進ー步說明。采用直流磁控濺射石墨靶、中頻磁控濺射碳化硅靶或硅靶以及離子源輔助沉積無氫摻硅的類金剛石膜層。氣體為純度99. 99%的氬氣。實施例I基體為模具鋼，按表I所列エ藝流程和參數依次操作。所制備的Si-DLC膜層厚度為1.08iim，含硅量為3.61at. %，膜層與基體之間的結合強度為62N，納米硬度為 11. 23GPa ;Si-DLC膜層在相対濕度40%和70%環境下的摩擦系數分別為0. 139和0. 150，磨損率為 3. 38 X 10 icWi3 N 1 m し表I實施例Iェ藝流程表
權利要求
1.一種無氫摻硅類金剛石膜層，其特征是所述的無氫摻硅類金剛石膜層依次由基體 (I);金屬層(2);金屬碳化物層(3);摻硅類金剛石膜層(4)構成。
2.根據權利要求I所述的無氫摻硅類金剛石膜層，其特征是所述基體為模具鋼、不銹鋼或硬質合金。
3.權利要求I所述的無氫摻硅類金剛石膜層的制備方法，其特征是采用直流磁控濺射石墨靶、中頻磁控濺射碳化硅靶或硅靶以及離子源輔助沉積，本底真空度小于5 X 10_3Pa，溫度150 250°C,工件架轉速I 5rpm條件下,依次由如下步驟組成(1)気尚子清洗基體気氣流量120 300sccm,爐壓O.20 O. 6Pa,尚子源功率400 600W，偏壓600 1000V，清洗時間10 30min ；(2)沉積金屬層和金屬碳化物層氬氣流量120 240SCCm，爐壓O.2 O. 4Pa，離子源功率200 500W ;沉積金屬層時，金屬靶濺射功率800 1000W，偏壓400 600V，沉積時間 10 20min ;沉積金屬碳化物層時，金屬靶濺射功率600 1000W ;石墨靶濺射功率1200 2000W，偏壓100 200V，沉積時間10 30min ；(3)沉積無氫摻硅類金剛石膜層氬氣流量100 200SCCm，偏壓50 150V，爐壓O.2 O. 4Pa。SiC靶或Si靶濺射功率50 650W，石墨靶濺射功率1600 2000W，離子源功率100 400W，沉積時間4 6h。
4.根據權利要求I所述的無氫摻硅類金剛石膜層的制備方法，其特征是所述金屬靶為 Cr、Ti 或 W 靶。
全文摘要
一種無氫摻硅類金剛石膜層。其特征是依次由基體(1)；金屬層(2)；金屬碳化物層(3)；摻硅類金剛石膜層(4)構成。制備方法是采用直流磁控濺射石墨靶、中頻磁控濺射碳化硅靶或硅靶以及離子源輔助沉積，依次氬離子清洗基體；沉積金屬層和金屬碳化物層；沉積無氫摻硅類金剛石膜層。與現有技術相比，本發明方法所制備的膜層具有摩擦系數和磨損率低、膜層質量好的特點。本發明膜層制備工藝簡單，重復性好，可制備出不同含硅量的無氫摻硅類金剛石膜層，能滿足濕度變化等特定環境下精密儀器傳動部件精度的要求，提高其使用的精度、靈敏度和可靠性，適用于超集成電路、醫用器械、光學元件、雷達、航空飛行器等。
文檔編號C23C14/06GK102586735SQ20121007293
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月16日 優先權日2012年3月16日
發明者代明江, 侯惠君, 張賀勇, 林松盛, 石倩, 胡芳, 韋春貝 申請人:廣州有色金屬研究院