CN115874142A - 一种类金刚石涂层及金属表面镀制类金刚石涂层的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种类金刚石涂层及金属表面镀制类金刚石涂层的方法。所述类金刚石涂层，包括在金属工件表面自下而上依次设置金属过渡层、类金刚石层，所述金属过渡层的厚度为80nm‑100nm。本发明依次采用真空磁控溅射镀膜和真空离子镀膜的工艺，在金属工件表面上设置金属过渡层、类金刚石层，能够解决传统镀膜方法针对复杂结构工件镀膜不均匀的问题，得到的镀膜金属工件具有高硬度、优良的抗摩擦性能、化学稳定性等优点，各涂层间结合力强，表面涂层均匀，能有效解决零件产品品质量低下和频繁停机更换工件的问题。
Description
技术领域
本发明属于金属表面镀膜技术领域，具体涉及一种类金刚石涂层及金属表面镀制类金刚石涂层的方法。
背景技术
在汽车、手表等行业的金属零部件要求具有耐磨性、耐腐蚀，为了达到上述要求，必须对金属零件表面进行涂层处理，以使金属零件达到耐磨性、耐腐蚀的效果。通常金属表面通过镀锌和铬等材料来隔绝空气，使得材料表面具有防腐性能，这些所用的材料对于人体有一定程度的伤害，不利于环保。对于特别复杂工件的内外表面，也很难镀均匀，因此金属零部件也很难达到实现耐磨性、耐腐蚀、低摩擦性的性能。
发明内容
针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种类金刚石涂层及金属表面镀制类金刚石涂层的方法。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种类金刚石涂层，包括在金属工件表面自下而上依次设置金属过渡层、类金刚石层，所述金属过渡层的厚度为80nm-100nm。
本发明依次在金属工件表面上设置金属过渡层、类金刚石层，得到的镀膜金属工件具有高硬度、优良的抗摩擦性能、化学稳定性等优点，各涂层间结合力强，表面涂层均匀，能有效解决零件产品品质量低下和频繁停机更换工件的问题。而且，本发明所述金属过渡层的厚度为80nm-100nm内，有利于金属过渡层上类金刚石层的沉积，若金属过渡层低于80nm，金属过渡层在金属工件上不致密，影响类金刚石层的附着，进而影响镀膜金属工件的硬度、抗摩擦、抗腐蚀性。
作为本发明的优选实施方式，所述类金刚石层的厚度为800nm-1500nm。
类金刚石层，简称DLC，具有高硬度、低摩擦系数、耐磨损等优点，本发明所述类金刚石层厚度在800nm-1500nm内，与金属过渡层的结合力较强，有助于提升镀膜金属工件硬度、抗摩擦性和稳定性。
作为本发明的优选实施方式，所述金属过渡层的材料为Cr或者Ti。
本发明还要求保护所述金属表面镀制类金刚石涂层的方法，包括如下步骤：
(1)清洁金属工件，得到洁净的金属工件；
(2)将洁净的金属工件放置真空镀膜机中，将真空室抽至2.0*10-3～3.5*10-3Pa，开启磁控溅射电源，电流导通到带有Cr靶或Ti靶的磁控溅射阴极，开始进行金属过渡层的沉积，沉积时施加在磁控溅射靶上的直流电源功率为900W-1000W，金属工件上脉冲偏压为120-150V的脉冲偏压，金属过渡层沉积时间为25-30分钟；
(3)步骤(2)金属过渡层沉积结束后，向真空室内通入碳氢类气体，保持真空度在0.05-0.5Pa，开启离子束电源开始类金刚石层的沉积，施加在离子束上的工作电压大于1500V，工作电流为150-250mA；金属工件上施加大于200V的脉冲偏压，沉积时间为60-80min。
本发明采用依次采用真空磁控溅射镀膜和真空离子镀膜的工艺，能够解决传统镀膜方法针对复杂结构工件镀膜不均匀的问题，本发明在金属工件表面镀制金属过渡层和类金刚石层，涂层镀制均匀一致，而且所制备的镀膜金属工件具有高硬度、优良的抗摩擦性能、耐腐蚀的优点。
作为本发明的优选实施方式，所述步骤(1)中，清洁金属工件包括如下步骤：对金属工件进行超声波清洗，清洗液为异丙醇，清洗温度为15-25℃，清洗时间为10-20分钟，清洗后用氮气吹干，得到洁净的金属工件。
作为本发明的优选实施方式，所述步骤(2)中，碳氢类气体的流量为300-450sccm。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明依次采用真空磁控溅射镀膜和真空离子镀膜的工艺，在金属工件表面上设置金属过渡层、类金刚石层，能够解决传统镀膜方法针对复杂结构工件镀膜不均匀的问题，得到的镀膜金属工件具有高硬度、优良的抗摩擦性能、化学稳定性等优点，各涂层间结合力强，表面涂层均匀，能有效解决零件产品品质量低下和频繁停机更换工件的问题。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本发明所述金属表面镀制类金刚石涂层的方法，包括如下步骤：
(1)对金属工件进行超声波清洗，清洗液为异丙醇，清洗温度为20℃，清洗时间为15分钟，清洗后用氮气吹干，得到洁净的金属工件；
(2)将洁净的金属工件放置真空镀膜机中，将真空室抽至3.0*10-3Pa，开启磁控溅射电源，电流导通到带有Cr靶的磁控溅射阴极，开始进行金属过渡层的沉积，沉积时施加在磁控溅射靶上的直流电源功率为900W，金属工件上脉冲偏压为130V的脉冲偏压，金属过渡层沉积时间为28分钟；所述金属过渡层的厚度为90nm；
(3)步骤(2)金属过渡层沉积结束后，向真空室内通入碳氢类气体，碳氢类气体的流量为400sccm，保持真空度在0.25Pa，开启离子束电源开始类金刚石层的沉积，施加在离子束上的工作电压大于1500V，工作电流为200mA；金属工件上施加大于200V的脉冲偏压，沉积时间为70min；所述类金刚石层的厚度为1100nm。
实施例2
本发明所述金属表面镀制类金刚石涂层的方法，包括如下步骤：
(1)对金属工件进行超声波清洗，清洗液为异丙醇，清洗温度为20℃，清洗时间为15分钟，清洗后用氮气吹干，得到洁净的金属工件；
(2)将洁净的金属工件放置真空镀膜机中，将真空室抽至2.0*10-3，开启磁控溅射电源，电流导通到带有Ti靶的磁控溅射阴极，开始进行金属过渡层的沉积，沉积时施加在磁控溅射靶上的直流电源功率为1000W，金属工件上脉冲偏压为120V的脉冲偏压，金属过渡层沉积时间为30分钟；所述金属过渡层的厚度为100nm；
(3)步骤(2)金属过渡层沉积结束后，向真空室内通入碳氢类气体，碳氢类气体的流量为450sccm，保持真空度在0.05Pa，开启离子束电源开始类金刚石层的沉积，施加在离子束上的工作电压大于1500V，工作电流为250mA；金属工件上施加大于200V的脉冲偏压，沉积时间为60min；所述类金刚石层的厚度为1400nm。
实施例3
本发明所述金属表面镀制类金刚石涂层的方法，包括如下步骤：
(1)对金属工件进行超声波清洗，清洗液为异丙醇，清洗温度为20℃，清洗时间为15分钟，清洗后用氮气吹干，得到洁净的金属工件；
(2)将洁净的金属工件放置真空镀膜机中，将真空室抽至3.5*10-3Pa，开启磁控溅射电源，电流导通到带有Cr靶的磁控溅射阴极，开始进行金属过渡层的沉积，沉积时施加在磁控溅射靶上的直流电源功率为950W，金属工件上脉冲偏压为150V的脉冲偏压，金属过渡层沉积时间为25分钟；所述金属过渡层的厚度为98nm；
(3)步骤(2)金属过渡层沉积结束后，向真空室内通入碳氢类气体，碳氢类气体的流量为300sccm，保持真空度在0.5Pa，开启离子束电源开始类金刚石层的沉积，施加在离子束上的工作电压大于1500V，工作电流为150mA；金属工件上施加大于200V的脉冲偏压，沉积时间为80min；所述类金刚石层的厚度为800nm。
实施例4
本发明所述金属表面镀制类金刚石涂层的方法，包括如下步骤：
(1)对金属工件进行超声波清洗，清洗液为异丙醇，清洗温度为20℃，清洗时间为15分钟，清洗后用氮气吹干，得到洁净的金属工件；
(2)将洁净的金属工件放置真空镀膜机中，将真空室抽至3.5*10-3Pa，开启磁控溅射电源，电流导通到带有Cr靶的磁控溅射阴极，开始进行金属过渡层的沉积，沉积时施加在磁控溅射靶上的直流电源功率为900W，金属工件上脉冲偏压为150V的脉冲偏压，金属过渡层沉积时间为25分钟；所述金属过渡层的厚度为80nm；
(3)步骤(2)金属过渡层沉积结束后，向真空室内通入碳氢类气体，碳氢类气体的流量为450sccm，保持真空度在0.5Pa，开启离子束电源开始类金刚石层的沉积，施加在离子束上的工作电压大于1500V，工作电流为250mA；金属工件上施加大于200V的脉冲偏压，沉积时间为80min；所述类金刚石层的厚度为1500nm。
对比例1
本发明所述金属表面镀制类金刚石涂层的方法，包括如下步骤：
(1)对金属工件进行超声波清洗，清洗液为异丙醇，清洗温度为20℃，清洗时间为15分钟，清洗后用氮气吹干，得到洁净的金属工件；
(2)将洁净的金属工件放置真空镀膜机中，将真空室抽至3.0*10-3Pa，开启磁控溅射电源，电流导通到带有Cr靶的磁控溅射阴极，开始进行金属过渡层的沉积，沉积时施加在磁控溅射靶上的直流电源功率为900W，金属工件上脉冲偏压为130V的脉冲偏压，金属过渡层沉积时间为18分钟；所述金属过渡层的厚度为60nm；
(3)步骤(2)金属过渡层沉积结束后，向真空室内通入碳氢类气体，碳氢类气体的流量为400sccm，保持真空度在0.25Pa，开启离子束电源开始类金刚石层的沉积，施加在离子束上的工作电压大于1500V，工作电流为200mA；金属工件上施加大于200V的脉冲偏压，沉积时间为70min；所述类金刚石层的厚度为1100nm。
对比例2
本发明所述金属表面镀制类金刚石涂层的方法，包括如下步骤：
(1)对金属工件进行超声波清洗，清洗液为异丙醇，清洗温度为20℃，清洗时间为15分钟，清洗后用氮气吹干，得到洁净的金属工件；
(2)将洁净的金属工件放置真空镀膜机中，将真空室抽至3.0*10-3Pa，开启磁控溅射电源，电流导通到带有Cr靶的磁控溅射阴极，开始进行金属过渡层的沉积，沉积时施加在磁控溅射靶上的直流电源功率为1000W，金属工件上脉冲偏压为130V的脉冲偏压，金属过渡层沉积时间为30分钟；所述金属过渡层的厚度为120nm；
(3)步骤(2)金属过渡层沉积结束后，向真空室内通入碳氢类气体，碳氢类气体的流量为400sccm，保持真空度在0.25Pa，开启离子束电源开始类金刚石层的沉积，施加在离子束上的工作电压大于1500V，工作电流为200mA；金属工件上施加大于200V的脉冲偏压，沉积时间为70min；所述类金刚石层的厚度为1100nm。
对比例3
本发明所述金属表面镀制类金刚石涂层的方法，包括如下步骤：
(1)对金属工件进行超声波清洗，清洗液为异丙醇，清洗温度为20℃，清洗时间为15分钟，清洗后用氮气吹干，得到洁净的金属工件；
(2)将洁净的金属工件放置真空镀膜机中，将真空室抽至3.0*10-3Pa，开启磁控溅射电源，电流导通到带有Cr靶的磁控溅射阴极，开始进行金属过渡层的沉积，沉积时施加在磁控溅射靶上的直流电源功率为900W，金属工件上脉冲偏压为130V的脉冲偏压，金属过渡层沉积时间为28分钟；所述金属过渡层的厚度为90nm；
(3)步骤(2)金属过渡层沉积结束后，向真空室内通入碳氢类气体，碳氢类气体的流量为450sccm，保持真空度在0.25Pa，开启离子束电源开始类金刚石层的沉积，施加在离子束上的工作电压大于1500V，工作电流为250mA；金属工件上施加大于200V的脉冲偏压，沉积时间为80min；所述类金刚石层的厚度为1600nm。
效果例
对实施例1-4和对比例1-3所制备的表面镀膜的金属工件进行摩擦系数、硬度测试，结果如表1。
测试方法：采用划痕实验法进行硬度测试；采用划格法附着力进行附着力测试；采用醋酸盐水喷雾试验进行抗腐蚀性测试。
表1实施例1-4和对比例1-3所制备的表面镀膜金属工件的性能测试结果
| 硬度(Hv) | 摩擦系数 | 抗腐蚀性(h) | 附着性 | |
| 实施例1 | 4080 | 0.90 | 100 | 5B |
| 实施例2 | 3972 | 0.12 | 98 | 5B |
| 实施例3 | 3850 | 0.11 | 95 | 5B |
| 实施例4 | 3963 | 0.10 | 97 | 5B |
| 对比例1 | 1985 | 0.17 | 12 | 3B |
| 对比例2 | 3962 | 0.11 | 96 | 5B |
| 对比例3 | 3987 | 0.12 | 98 | 5B |
从表1中可知，本发明实施例1-4与对比例1相比，实施例所制备的表面镀膜金属工件硬度高、摩擦系数小、抗腐蚀性能好而且涂层附着力好。根据对比例2-3与实施例1对比，所述表面镀膜金属工件的性能差别不大，说明金属过渡层和类金刚石层的厚度超过本发明限定范围，对表面镀膜金属工件的硬度、抗摩擦系数、抗腐蚀性能好和涂层附着力的提升不明显，而且还会对镀膜仪器产生损耗，增加镀膜成本。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (6)
1.一种类金刚石涂层，其特征在于，包括在金属工件表面自下而上依次设置金属过渡层、类金刚石层，所述金属过渡层的厚度为80nm-100nm。
2.如权利要求1所述类金刚石涂层，其特征在于，所述类金刚石层的厚度为800nm-1500nm。
3.如权利要求1所述类金刚石涂层，其特征在于，所述金属过渡层的材料为Cr或者Ti。
4.一种金属表面镀制如权利要求1-3任一项所述的类金刚石涂层的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)清洁金属工件，得到洁净的金属工件；
(2)将洁净的金属工件放置真空镀膜机中，将真空室抽至2.0*10-3～3.5*10-3Pa，开启磁控溅射电源，电流导通到带有Cr靶或Ti靶的磁控溅射阴极，开始进行金属过渡层的沉积，沉积时施加在磁控溅射靶上的直流电源功率为900W-1000W，金属工件上脉冲偏压为120-150V的脉冲偏压，金属过渡层沉积时间为25-30分钟；
(3)步骤(2)金属过渡层沉积结束后，向真空室内通入碳氢类气体，保持真空度在0.05-0.5Pa，开启离子束电源开始类金刚石层的沉积，施加在离子束上的工作电压大于1500V，工作电流为150-250mA；金属工件上施加大于200V的脉冲偏压，沉积时间为60-80min。
5.如权利要求4所述金属表面镀制类金刚石涂层的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，清洁金属工件包括如下步骤：对金属工件进行超声波清洗，清洗液为异丙醇，清洗温度为15-25℃，清洗时间为10-20分钟，清洗后用氮气吹干，得到洁净的金属工件。
6.如权利要求4所述金属表面镀制类金刚石涂层的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，碳氢类气体的流量为300-450sccm。
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