專利名稱：：硬質合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復合涂層的方法
技術領域：
：本發明屬于離子束材料表面改性領域，特別涉及一種硬質合金、高速鋼材料表面制備非晶四面體碳復合涂層的方法。
背景技術：
：目前國內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用，但這些涂層的硬度限制在15-30GPa，摩擦系數為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，其對尺寸要求嚴格，如果刀具尺寸大，會使螺紋大，螺絲松動，尺寸小，則螺絲進不去。當絲錐攻盲孔，或不銹鋼等粘性材料時，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壽命的目的，但對于絲錐，鍍層厚到1微米時，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，產生的效果不明顯，而且涂層的摩擦系數大，不能解決沾鐵屑，夾刀的現象。因此，在刀具鍍膜中，如何解決絲錐鍍膜一直是難點。而目前類金剛石(DLC)涂層相比較摩擦系數小，可以解決沾鐵屑，夾刀的現象。但目前采用傳統的磁控濺射、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。
發明內容基于上述方法的不足，本發明的目的在于提供一種用于硬質合金、高速鋼材料表面制備非晶四面體碳復合涂層的新方法，該方法制備的非晶四面體碳薄膜復合涂層，結合強度高，硬度高，摩擦系數小，涂層薄，同時具有優異的韌性，非常適用于絲錐、鉸刀、塞規等對尺寸有嚴格要求的刀、量具，可以從根本上解決延長使用壽命的難題。為實現上述發明目的，本發明采取如下技術方案—種硬質合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復合涂層的方法，所述的硬質合金、高速鋼材料統稱為基體，其特征在于，該方法包括下列步驟(1)基體預處理首先對基體表面進行除油，然后放入丙酮溶液中，用超聲波清洗，酒精脫水，氮氣吹干；(2)離子清洗將預處理后的基體放入鍍膜機真空室的轉臺上進行離子清洗；(3)鍍制涂層將經過離子清洗后的基體采用磁控濺射裝置鍍CrTiAlN涂層；(4)形成非晶碳薄膜關閉磁控濺射裝置，啟動過濾電弧離子源，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一步電離形成碳離子，經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，轉臺以3r/min的線速度旋轉，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Cr、Ti、Al三個磁控濺射靶，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，鍍制時間為40min，轉臺以3r/min的線速度旋轉，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，轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證基體涂層橫向均勻，磁場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。由上述技術方案可見，本發明為了在硬質合金、高速鋼表面增加非晶碳涂層的結合力，在中間增加了一層CrTiAlN過渡層，當它具有高Cr含量時，表現出優異的韌性，正是非晶碳薄膜缺少的特性，采用本方法在硬質合金、高速鋼材料表面形成的非晶四面體碳復合涂層為非晶結構，涂層中Sp3鍵結構含量^85X，硬度^85GPa，摩擦系數《0.15，薄膜與基體之間的結合力^35N;與傳統技術制備的DLC相比，摩擦系數更小，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為實現本發明方法所采用裝置的結構示意圖；圖中l-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-工裝轉臺；6-工裝架；7-抽氣口；8-進氣口；9-真空計；10-磁掃描線圈；ll-磁控濺射靶；12-石墨靶陰極；圖2為磁控濺射耙磁場分布圖；圖3為S型雙彎管磁過濾裝置結構示意圖；圖4為本發明所制備涂層的拉曼光譜圖，定性的計算SP3鍵結構；圖5為本發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為本發明所制備涂層的摩擦系數圖。具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明本發明提供了一種硬質合金、高速鋼材料表面制備非晶四面體碳復合涂層的方法，所述的硬質合金、高速鋼材料統稱為基體，包括下列步驟(1)基體的預處理首先對基體表面進行除油，然后放入丙酮溶液中，并用超聲波清洗，酒精脫水，最后用氮氣吹干；(2)將預處理好的基體插在專用的工裝架6上，將工裝架6放入鍍膜機真空室3中的一個工裝轉臺5上；采用一個冷陰極離子源4，進行離子清洗，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，工裝轉臺5以3r/min的線速度旋轉，以保證橫向均勻；(3)關掉冷陰極離子源4，為了增加硬質合金、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情況下充入氮氣和氬氣，然后啟動Cr、Ti、Al磁控濺射靶11，如圖2所示，具體參數如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>鍍制CrTiAlN涂層薄膜厚度為800nm。(4)關掉磁控濺射靶ll，啟動過濾電弧離子源l，本發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一步電離形成碳離子，經過圖3所示的一個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，工件轉盤以3r/min的線速度旋轉，以保證工件涂層在橫向均勻，由一個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合力，薄膜與基體之間的結合力^35N，涂層表面粗糙度《0.25nm，如圖5所示；通過對照涂層拉曼光譜可以看出涂層的SPS鍵結構含量^85%，如圖4所示；通過圖6可以看出涂層的摩擦系數《0.15。通過栓盤實驗對涂層的摩擦磨損性能進行檢測，在干摩擦條件下，摩擦副為直徑4mm軸承鋼珠時，摩擦系數為0.08-0.12之間。以上內容是結合具體的實施方式對本發明所作的進一步說明，不能認定本發明的具體實施方式僅限于此，對于本發明所屬
技術領域：
的普通技術人員來說，凡根據本發明精神實質所作的任何簡單修改及等效結構變換或修飾，均屬于本發明所提交的權利要求書確定的專利保護范圍。權利要求一種硬質合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復合涂層的方法，所述的硬質合金、高速鋼材料統稱為基體，其特征在于，該方法包括下列步驟(1)基體預處理首先對基體表面進行除油，然后放入丙酮溶液中，用超聲波清洗，酒精脫水，氮氣吹干；(2)離子清洗將預處理后的基體放入鍍膜機真空室的轉臺上進行離子清洗；(3)鍍制涂層將經過離子清洗后的基體采用磁控濺射裝置鍍CrTiAlN涂層；(4)形成非晶碳薄膜關閉磁控濺射裝置，啟動過濾電弧離子源，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一步電離形成碳離子，經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.根據權利要求1所述的一種硬質合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復合涂層的方法，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，轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證橫向清洗均勻。3.根據權利要求1所述的一種硬質合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復合涂層的方法，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Cr、Ti、Al三個磁控濺射靶，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，鍍制時間為40min，轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證橫向鍍膜均勻，薄膜厚度800nm。4.根據權利要求1所述的一種硬質合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復合涂層的方法，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，轉臺以3r/min的線速度旋轉，保證基體涂層橫向均勻，磁場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.根據權利要求1所述的一種硬質合金、高速鋼材料表面制備非晶碳復合涂層的方法，其特征在于基體表面形成的非晶碳薄膜涂層為非晶結構，涂層中SP3鍵結構含量>85%，硬度>85GPa，摩擦系數《0.15，薄膜與基體之間的結合力>35N。全文摘要本發明的目的在于提供一種用于硬質合金、高速鋼材料表面制備非晶四面體碳復合涂層的新方法，包括基體預處理、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合涂層，結合強度高，硬度高，摩擦系數小，涂層薄，同時具有優異的韌性，非常適用于絲錐、鉸刀、塞規等對尺寸有嚴格要求的刀、量具，涂層中SP3鍵結構含量≥85％，硬度≥85GPa，摩擦系數≤0.15，薄膜與基體之間的結合力≥35N；與傳統技術制備的DLC相比，摩擦系數更小，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C23C14/06GK101781748SQ20101013616公開日2010年7月21日申請日期2010年3月31日優先權日2010年3月31日發明者朱克志,楊立,王曉艷,趙玉清,陳仙,韓亮申請人:西安交通大學