一種pvd與hipims工業化制備超硬dlc碳涂層方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種超硬DLC碳涂層技術設備領域，特別涉及一種PVD與HIP頂S工業化制備超硬DLC碳涂層方法及裝置。
【背景技術】
[0002]采用表面PVD (物理氣相沉積Physical Vapor Deposit1n)涂層能大幅度地改善和提高工件的表面性能，如硬度、耐磨性、抗摩擦性、耐腐蝕性等，提高工件型腔表面抗擦傷、抗咬合等特殊性能。PVD涂層已經成為絕大多數工件提高壽命和效率不可缺少的手段并被廣泛應用于各領域，已經取得了良好的效果。PVD進行涂層時必須考慮工件材料、熱處理、被加工材料、成型方式等不同情況，否則會影響涂層性能，造成資源浪費，所以研究各類鋼工件表面PVD涂層方法與處理工藝顯得尤為重要。
[0003]類金剛石膜涂層(Diamond-like Carbon),簡稱DLC涂層；類金剛石(DLC)薄膜是一種含有一定量金剛石鍵(sp2和sp3)的非晶碳的亞穩類的薄膜，所以碳可以形成不同晶體的和無序的結構。DLC碳膜可以被摻雜不同的元素得到摻雜的DLC(N-DLC)薄膜，因而有諸多與金剛石膜相似的性能。類金剛石(DLC)膜具有許多與金剛石相似或相近的優良性能，如硬度高、彈性模量高、摩擦系數低、生物相溶性好、聲學性能好、電學性能佳等。DLC薄膜發展到今天，已經為越來越多的研究者和工業界所熟知和關注，在工業各領域都有極大的應用前景。目前DLC薄膜已經在航空航天、精密機械、微電子機械裝置、磁盤存儲器、汽車零部件、光學器材和生物醫學等多個領域有廣泛的應用，是具有重要應用前景的高性能的無機非金屬薄膜材料。
[0004]美國已經將類金剛石薄膜材料作為21世紀的戰略材料之一，業界類金剛石膜的研究、開發、制備及應用正向深度和廣度推進，類金剛石制備的方法很多:如離子束輔助沉積、磁控濺射、真空陰極電弧沉積、等離子體增強化學氣相沉積、離子注入法等；但不同的制備方法，DLC膜的成分、結構和性能有很大的差別，現有技術中高功率脈沖磁控濺射靶(highpower impuls magnetron sputter),簡稱HIPIMS與PVD技術存在的不足是:1、難以實現工業化質優的DLC膜的制備與應用，大多數沉積設備或裝置屬于實驗室原型設備，制備成本高；還無法工業化大批量生產，產業化程度低；2、制備的DLC涂層質量不穩定，涂層附著力差，膜層厚度極其微薄(I P m左右)，無法滿足高運動付，高頻率摩擦的狹窄工件表面涂層DLC的質量要求；3、簡單DLC涂層在硬度、摩擦性能、磨損性能方面兼容性能不佳。
【發明內容】
[0005]為了解決如上現有碳薄膜DLC涂層沉積中的系列問題，本發明提供了一種PVD與HIPIMS工業化制備超硬DLC碳涂層方法及裝置，針對現有技術中的缺陷，本發明采用高能量離子植入技術增加涂層在工件表面的結合力，離子植入工件表面以下28納米深度，采用多層不同硬度的碳膜進行復合生長從而得到光滑與表面摩擦性能優異的碳薄膜DLC涂層；實現工件表面的超硬度類金剛石涂層設備，并使涂層具有高附著力，超高硬度，高耐摩擦性能，高耐磨損性能和高自潤滑性能。
[0006]本發明所呈現的是一種目前為止所知道與使用的技術中可以避免如上所概述的碳基類金剛石涂層缺陷沉積方法.所述碳基類金剛石涂層具備如下特征:碳基薄膜涂層的維氏硬度40-80GPa，摩擦系數〈0.1，氫含量7-11%，D/G>0.6 ;所述碳基類金剛石涂層正因為具有這些超常特性，才援引出“超硬”碳基類金剛石DLC涂層的概念。
[0007]為達到上述目的，本發明的技術方案如下:一種PVD與HIP頂S工業化制備超硬DLC碳涂層裝置，簡稱涂層裝置，包括涂層室、真空腔體、操作控制器、前倉門、后倉門、非平衡磁控陰極、高功率脈沖磁控陰極、靶材擋板、工件基體、中心陽極、真空機械泵、分子泵、冷熱水控制箱、功能氣體分配箱、陰極靶材隔柵、腔體加熱器、三維旋轉架、靶材A電源柜、靶材B電源柜、靶材C電源柜、靶材D電源柜、HIPIMS電源柜、偏壓電源柜、控制系統弱電柜、陽極電源、上下料運輸車、運輸車軌道、HIP頂S磁過濾器，其特征在于:
[0008]所述高功率脈沖磁控陰極(high power impuls magnetron sputter),簡稱為HIPIMS ;所述非平衡磁控陰極，簡稱為UBM ;所述涂層裝置，由涂層室、操作控制器、真空機械泵、分子泵、冷熱水控制箱、功能氣體分配箱、腔體加熱器、三維旋轉架、電源系統、上下料裝置組成；所述涂層室焊接固定在設備框架上，所述設備框架為矩形不銹鋼方通焊接結構，所述涂層室包括真空腔體、前倉門、后倉門；所述真空腔體為八面體不銹鋼筒形雙層結構，所述前倉門和后倉門分別設置于所述真空腔體的前面和后面，所述前倉門和后倉門的截面為三折板式，所述前、后倉門跨度占用所述八面體的三個相鄰面，所述前倉門通過鉸鏈固定連接于所述真空腔體的右側面下邊緣上，所述后倉門通過鉸鏈固定連接于所述真空腔體的右側面上邊緣上，所述前倉門和所述后倉門均向右側開門設置，并與所述真空腔體密封連接；所述真空腔體的頂部中心設置有中心陽極，所述真空腔體的底面設置有三維旋轉架，所述三維旋轉架上設置有工件基體，所述真空腔體內部設置有四個UBM，所述四個UBM分別裝配在所述真空腔體內八面體的左上面、左下面、右上面、右下面位置，所述UBM靠近內側面設置，所述UBM前方設置有陰極靶材隔柵；所述真空腔體左側面外面設置有HIP頂S，所述HIPIMS與所述真空腔體之間設置有HIP頂S磁過濾器；所述真空腔體內部上側面和下側面，各設置有一組腔體加熱器；所述真空腔體右側面設置有真空接口，所述真空接口通過管道與真空機械泵、分子泵連通，所述真空腔體的雙層結構通過管道與冷熱水控制箱連通，所述真空腔體底面開設有氣體接口，所述氣體接口與功能氣體分配箱連通；所述電源系統包括靶材A電源柜、靶材B電源柜、靶材C電源柜、靶材D電源柜、HIPIMS電源柜、偏壓電源柜、控制系統弱電柜、陽極電源；所述電源系統與所述操作控制器電氣連接，所述操作控制器與所述四個UBM、HIP頂S、真空機械泵、分子泵、冷熱水控制箱、功能氣體分配箱、腔體加熱器、三維旋轉架驅動電機電氣連接；所述前倉門外側設置有上下料裝置，所述上下料裝置由上下料運輸車和運輸車軌道構成。
[0009]所述電源系統集成為一體式電源柜，所述電源柜上方設置為操作控制器。
[0010]所述三維旋轉架由所述真空腔體底下的電機驅動，所述三維旋轉架與所述電機密封軸連接；所述三維旋轉架上設置有多個衛星旋轉支架，所述衛星支架與所述三維旋轉架通過齒輪齒接，所述衛星旋轉支架隨著三維旋轉架同步轉動，所述衛星支架上設置有多層工件基體。
[0011]所述UBM由多塊永磁體并列裝配而成，所述永磁體的磁極交替方式排列，所述永磁體外側繞制的線圈繞組，所述各個UBM與所述HIP頂S的磁力線，在所述真空腔體內部構成閉合磁場。
[0012]所述UBM和所述HIP頂S內設置有冷卻通道，所述冷卻通道與所述冷熱水控制箱連通。
[0013]所述功能氣體分配箱與氮氣、氬氣、乙炔氣源通過管道連通，所述功能氣體分配箱內設置有調節閥門和流量計。
[0014]一種PVD與HIP頂S制備超硬DLC涂層方法，簡稱涂層方法:
[0015]1、啟動涂層設備:初始化參數設置；
[0016]2、抽真空，開啟機械真空泵、分子泵；開始腔體加熱器加熱；
[0017]3、靶材清洗，對靶材表面進行離子轟擊清洗；
[0018]4、短時間氬離子轟擊，通入氬氣，對工件基體表面進行轟擊清洗；
[0019]5、脈沖磁控濺射，啟動HIP頂S的WC陰極靶，設置偏壓為-800伏特，濺射時間為5—1分鐘；
[0020]6、脈沖磁控濺射制備WC中間層，通過HIP頂S的WC陰極靶，對工件基體表面涂層制備WC中間層；
[0021]7、UBM與HIP頂S磁控濺射，制備WC中間層，偏壓-175伏特，時間5—10分鐘；
[0022]8、非平衡磁控濺射，制備C-DLC涂層，設置偏壓為_150伏特，控制電流密度為1W/cm2 ;控制乙炔氣體流量為30sccm—160sccm ；
[0023]9、非平衡磁控濺射，制備軟質涂層，設置偏壓為-