一種類金剛石薄膜的磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于物理氣相沉積領域，涉及一種類金剛石薄膜的磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置及方法，可以用于金屬薄膜、氮化物薄膜和碳化物薄膜的生長。
【背景技術】
[0002]類金剛石碳膜具有許多與金剛石相似的性能，如高硬度、低摩擦系數、高耐磨性以及良好的化學穩定性、導熱性、電絕緣性、光透過性和生物相容性等，其作為新型功能薄膜材料，在許多領域都有著巨大的應用前景。此外，相對于金剛石薄膜，類金剛石碳膜又具有許多獨特的優點，如沉積溫度低、沉積面積大、沉積條件簡單、膜面平整光滑等，使得金剛石薄膜并不能完全取代它，特別是在某些要求沉積溫度低、膜面粗糙度小的場合。
[0003]近年來，隨著國IV、國V標準的實施，國內零配件企業面臨技術落后、競爭力欠缺等困境。內燃機工業“十二五”發展規劃指出:〃提高核心零部件制造企業的自主創新能力和技術競爭力是行業當前面臨的首要問題〃。"節能與新能源汽車產業發展規劃"也提出了突破低阻零部件等技術，大幅提高發動機水平。通過采用低摩擦技術，短期內可提高發動機效率20%，而未來15-25年內可提高到60%以上。
[0004]一般，發動機在穩定運行階段處于全膜潤滑，即液體潤滑，而在低速或運行停止階段時處于混合、邊界潤滑狀態。發動機關鍵零部件失效大量與摩擦磨損有關，主要體現在高壓共軌燃油噴射系統柱塞偶件、氣門挺柱、挺桿、活塞環、活塞銷、凸輪軸等摩擦副上。摩擦副元件兩金屬表面相互摩擦，由于彼此粗糙度和硬度有別或受到游離堅硬顆粒在其間滑動引起會引起元件的磨料磨損；摩擦副兩摩擦表面在交變剪切應力反復或長期作用下，達到或超過表面材料持久極限強度后，會導致元件產生疲勞磨損；如，高壓共軌燃油噴射系統往往工作壓力高、流量大，摩擦副間溫度較高，導致這些摩擦副之間多處于半流體潤滑和邊界潤滑狀態，在摩擦條件趨向苛刻的過程中，一旦潤滑表面不能形成連續油膜或油膜破裂時，就造成摩擦表面的直接接觸即干摩擦，零件接觸面間摩擦阻力增大，零件表面層溫度進一步升高，嚴重時零件表層金屬軟化，導致粘著磨損的發生。因此，單純依賴液體潤滑難以滿足高技術重型柴油機運動部件摩擦副的潤滑需要。對于發動機來說，迫切需要研究和發展具有超低摩擦、低磨損、高承載、高可靠性、長壽命、多環境適應性等特性的新一代高性能低摩擦固體潤滑材料。
[0005]作為一類優秀的固體潤滑薄膜，類金剛石碳膜在汽車領域得到了越來越廣泛的技術應用，在不能進行油潤滑的燃油這種嚴酷滑動環境中，為改善耐磨性可采用類金剛石碳膜。
[0006]但是，由于發動機運行環境苛刻，現有的類金剛石碳膜內應力大、與鋼附著力不好、機械性能差、在外力作用下容易剝落，不能滿足發動機運行環境的要求。
【發明內容】
[0007]本發明的目的在于提供一種與基底結合牢固、摩擦系數低、耐磨性能強的類金剛石薄膜的磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置及方法。
[0008]一種類金剛石薄膜的磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置，該裝置包括磁控濺射靶，其特征在于所述磁控濺射靶前設有磁靴，其中磁靴由一對磁場相反的電磁鐵組成，磁靴產生的磁場平行于磁控濺射靶的靶面。
[0009]所述磁靴產生的電磁場由恒流電源供電。
[0010]所述磁控濺射靶為金屬靶。
[0011]所述金屬靶為鈦、鉻、鉬或鈮靶。
[0012]所述磁控濺射靶所用電源為直流、交流、中頻脈沖、直流脈沖、或高功率脈沖電源。
[0013]使用上述裝置制備類金剛石薄膜的方法，其特征在于:將基底、磁靴、磁控濺射靶置于真空腔體中，抽真空開始充氣鍍膜；開啟磁控濺射靶，開啟磁靴，基底在腔內做行星公轉，首先制備金屬粘結層；在氮氣和氬氣混合氣氛下，調節氣體流量比，制備一層金屬氮化物強化層；通入甲烷或者乙炔氣體，隨著反應氣體的增加，依次形成碳氮化金屬層、金屬摻雜的碳氮層及氮摻雜的類金剛石薄膜。
[0014]本發明的基本思想是磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置，通過調整磁靴的場強來增強磁控濺射的離化率和離子能量，實現多層復合類金剛石碳膜與基底結合牢固、摩擦系數低、耐磨性能強的方法。
[0015]本發明對比現有技術具有以下創新點:
1、使用平行于磁控濺射靶的額外磁場增加了等離子體密度和靶材離化率。
[0016]2、具磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置可以有效提高類金剛石薄膜的結合力。
[0017]本發明對比現有技術具有以下顯著優點:
1、磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置離化率可以由原來的10%提高到60%。
[0018]2、具磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置提高了磁控濺射的鍍膜窗口和工藝的穩定性。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明的結構示意圖。
[0020]圖2為本發明制備的薄膜的結合力測試圖。
[0021]圖中:1_磁控濺射靶2-鍍膜區域3-磁靴。
【具體實施方式】
[0022]實施例1
如圖1所示，一種類金剛石薄膜的磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置，該裝置包括磁控濺射靶1，磁控濺射靶I前設有磁靴3，其中磁靴3由一對磁場相反的電磁鐵組成，磁靴3產生的磁場平行于磁控濺射靶I的靶面。
[0023]磁靴3產生的電磁場由恒流電源供電。
[0024]磁控濺射靶I為金屬靶。
[0025]金屬靶為鈦、鉻、鉬或鈮靶。
[0026]磁控濺射靶I所用電源為直流、交流、中頻脈沖、直流脈沖、或高功率脈沖電源。
[0027]使用上述裝置制備類金剛石薄膜的方法，將基底、磁靴3、磁控濺射靶I置于真空腔體中，抽真空開始充氣鍍膜；開啟磁控濺射靶1，開啟磁靴3，基底在腔內做行星公轉，首先制備金屬粘結層；在氮氣和氬氣混合氣氛下，調節氣體流量比，制備一層金屬氮化物強化層；通入甲烷或者乙炔氣體，隨著反應氣體的增加，依次形成碳氮化金屬層、金屬摻雜的碳氮層及氮摻雜的類金剛石薄膜。
[0028]實施例2
采用圖1所示裝置實現結合牢固、摩擦系數低、耐磨性能強的多層復合類金剛石碳膜的制備；
1、常規的清洗:除油、除銹、烘干放進真空室；
2、當背底真空達到IX 10 4時開始鍍膜，用氬離子轟擊清洗，氬氣控制在0.6-5 Pa，偏壓800-1000V，導通比0.2-0.8，頻率10_50KHz，清洗10分鐘；
3、打開磁控濺射鈦靶，電流9A，占空比0.6-0.8，頻率10-20KHZ，偏壓設置為400-600V，導通比0.4-0.6，頻率10-5000 Hz，氬氣0.4_2Pa ;沉積10-20分鐘；電磁線圈電流1A ;沉積金屬100-200納米；
4、沉積氮化物層，磁控電流9A，氮氣和氬氣比例1:2，偏壓150V，導通比0.6，頻率5000Hz ;電磁線圈電流1A ;沉積氮化金屬300納米；
5、沉積碳氮化金屬/金屬摻雜碳氮層，磁控電流9A，氮氣和氬氣比例1:2，偏壓150V,導通比0.6，頻率5000 Hz ；電磁線圈電流1A ;甲烷氣體40分鐘從1sccm調整到250sccm，沉積厚度500納米；
6、關機冷卻后得到多層復合類金剛石碳膜，呈黑色，結合力測試50N，滿足工業需求，所述方法制備的涂層具有高結合力、超韌的特性。
【主權項】
1.一種類金剛石薄膜的磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置，該裝置包括磁控濺射靶(I )，其特征在于所述磁控濺射靶(I)前設有磁靴(3)，其中磁靴(3)由一對磁場相反的電磁鐵組成，磁靴(3)產生的磁場平行于磁控濺射靶(I)的靶面。2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述磁靴(3)產生的電磁場由恒流電源供電。3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述磁控濺射靶(I)為金屬靶。4.如權利要求3所述的裝置，其特征在于所述金屬靶為鈦、鉻、鉬或鈮靶。5.如權利要求1所述的裝置，其特征在于所述磁控濺射靶(I)所用電源為直流、交流、中頻脈沖、直流脈沖、或高功率脈沖電源。6.使用如權利要求1至5任意一項所述裝置制備類金剛石薄膜的方法，其特征在于:將基底、磁靴(3)、磁控濺射靶(I)置于真空腔體中，抽真空開始充氣鍍膜；開啟磁控濺射靶(1)，開啟磁靴(3)，基底在腔內做行星公轉，首先制備金屬粘結層；在氮氣和氬氣混合氣氛下，調節氣體流量比，制備一層金屬氮化物強化層；通入甲烷或者乙炔氣體，隨著反應氣體的增加，依次形成碳氮化金屬層、金屬摻雜的碳氮層及氮摻雜的類金剛石薄膜。
【專利摘要】本發明屬于物理氣相沉積領域,公開了一種類金剛石薄膜的磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置，該裝置包括磁控濺射靶，磁控濺射靶前設有磁靴，其中磁靴由一對磁場相反的電磁鐵組成，磁靴產生的磁場平行于磁控濺射靶的靶面。本發明磁靴增強磁控濺射鍍膜裝置離化率可以由原來的10%提高到60%。本發明還公開了一種類金剛石薄膜的磁靴增強磁控濺射鍍膜方法，該方法制備的涂層具有高結合力、超韌的特性。
【IPC分類】C23C14/35, C23C14/06
【公開號】CN105200384
【申請號】CN201510705273
【發明人】張斌, 張俊彥, 高凱雄, 強力
【申請人】中國科學院蘭州化學物理研究所
【公開日】2015年12月30日
【申請日】2015年10月27日