[發明專利]金屬碳化物/類金剛石(MeC/DLC)納米多層膜材料及其制備方法

有效

• 申請號: 200710028834.3
• 申請日: 2007-06-26
• 公開（公告）號: CN101081557A
• 公開（公告）日: 2007-12-05
• 發明（設計）人: 林松盛;代明江;李洪武;朱霞高;侯惠君;林凱生
• 申請（專利權）人: 廣州有色金屬研究院
• 主分類號: B32B33/00
• 分類號: B32B33/00;C23C14/06;C23C14/02;C23C14/35;C23C14/48
• 代理公司: 廣東世紀專利事務所
• 代理人: 千知化

技術領域

本發明涉及一種多層膜材料及其制備方法，特別涉及一種金屬碳化物/ 類金剛石(MeC/DLC)多層膜材料及其制備方法。

背景技術

隨著科學技術的進步和生產發展的要求，納米新材料和表面工程技術 在制造業中得到了廣泛的應用。從上世紀八十年代以來，采用氣相沉積技 術在工模具、零部件表面制備TiN、TiCN、TiAlN等高硬、耐磨涂層，可 大幅提高其使用性能和壽命，獲得了成功的商業應用。但這些單層涂層仍 存在硬度不夠高、摩擦系數大(0.4～0.8)等不足之處，在一些應用領域尚不 能滿足工模具和零部件工況高要求的需要。

類金剛石膜(Diamond-like?Carbon，簡寫為DLC)是一種含有金剛石結 構的非晶碳膜，由于它具有一系列與金剛石膜相似的優異性能，如較高的 硬度、極低的摩擦系數，良好的導熱性、耐磨、耐蝕性，以及可實現低溫 大面積沉積，在光學、電子、聲學、醫學、機械等領域具有廣泛的應用前 景，成為近年來研究的熱點。目前DLC薄膜的沉積方法主要有離子束、磁 控濺射、電弧離子鍍等。用離子源離化碳氫化合物(如甲烷、乙炔氣等) 制備的DLC膜，膜層細膩、硬度高，但與基體結合力差、內應力大，膜厚 超過500nm后沉積速率慢，且易剝落。用磁控濺射(石墨源)技術制備的 DLC膜，膜層表面光潔、細膩，沉積速率適中，但膜層硬度偏低。用陰極 電弧離子鍍(石墨源)制備的DLC膜，膜層硬度高，沉積速率快，但膜層 表面不夠光潔細膩，存在較大顆粒，內應力大，難以在工模具及零部件上 獲得應用。這些研究表明，提高DLC膜與基體的結合力，降低膜層內應力， 實現DLC膜的低溫、大面積均勻沉積是實現DLC膜商業應用的關鍵所在。

發明內容

本發明的目的是克服現有DLC膜技術存在的缺點和不足，提供一種 MeC/DLC納米多層膜材料，該多層膜材料具有較高的顯微硬度、低的摩擦 系數、牢固的附著力等性能。

本發明的另一個目的是提供一種MeC/DLC納米多層膜材料的制備方 法，該方法滿足低溫及大面積制備的要求，具有生產效率高，成本低等優 點。

本發明是通過以下技術方案實現的：金屬碳化物/類金剛石納米多層膜 材料依次由基材1、過渡層I和納米多層膜層II構成，過渡層I由金屬層2、 金屬氮化物層3和金屬碳氮化物層4構成，納米多層膜層II由交替的金屬 碳化物層5和類金剛石層6構成。

所述的金屬碳化物/類金剛石納米多層膜材料的基材1為鋼鐵、鈦合金 或硬質合金。

所述的金屬碳化物/類金剛石納米多層膜材料的金屬為Ti、Cr、Zr或W。

金屬碳化物/類金剛石納米多層膜材料的制備方法是采用Ti、Cr、Zr 或W靶，在本底真空：5.0×10^-3Pa，溫度：150℃，工件架轉速：2～10rpm 條件下，依次包括以下步驟：

①離子源轟擊清洗基材：爐內壓強：0.2～1.0Pa，Ar氣流量：150sccm， 離子源：2kw，偏壓：50～1000V，時間：30min；

②制備金屬層：爐內壓強：0.2～0.4Pa，Ar氣流量：150sccm，磁控功 率：2.0～10kw，離子源：0.5kw，偏壓：50～150V，時間：5～15min；

③制備金屬氮化物層：爐內壓強：0.3～0.6Pa，Ar氣流量：120～150sccm， N₂：40～50sccm，磁控功率：5.0～10kw，離子源：0.5kw，偏壓：50～150V， 時間：15～30min；

④制備金屬碳氮化物層：爐內壓強：0.4～0.8Pa，Ar氣流量：100～150 sccm，CH₄或C₂H₂氣流量：30～50sccm，N₂：5～30sccm，磁控功率：5.0～6.0 kw，離子源：0.5kw，偏壓：50～150V，時間：15～30min；

⑤制備金屬碳化物和類金剛石層：爐內壓強：0.6～1.0Pa，Ar氣流量： 100sccm，CH₄或C₂H₂氣流量：50～150sccm，磁控功率：1.0～3.0kw，離 子源：2kw，偏壓：50～150V，時間：100～150min。