一种物理气相沉积Ta‑C涂层的制备方法及Ta‑C涂层技术

本发明专利技术涉及物理气相沉积硬质涂层，具体公开了一种Ta‑C多层硬质涂层。本发明专利技术采用Ti靶和石墨靶，涂层制备过程包括：步骤一：等离子清洗；步骤二：沉积Ti打底层；步骤三：制备Ti和碳结合体层；步骤四：沉积四面体无定型无氢非晶碳层。本发明专利技术的物理气相沉积Ta‑C涂层采用离子溅射及辉光放电技术相结合工艺，具有制备工艺简单，沉积温度低、无污染、耗材少以及成膜均匀致密等特点。本发明专利技术的Ta‑C涂层硬度接近金刚石硬度，具有硬度更高、自润滑性更好以及摩擦系数更低等优点。本发明专利技术的Ta‑C涂层应用于软金属加工刀具及塑胶成型模具，可以显著减少磨损、抑制粘着、提高刀具及模具使用寿命。

The coating preparation method and Ta C Ta C coating for physical vapor deposition

The present invention relates to physical vapor deposition of hard coatings, and particularly discloses a Ta C multilayer hard coatings. The invention adopts the Ti target and graphite target coating preparation process includes the following steps: step two: plasma cleaning; deposition Ti layer; step three: preparation of Ti and carbon combination layer; step four: the deposition of amorphous tetrahedral amorphous carbon layer. Ta C coating by ion sputtering and glow discharge technology combined with the process of this invention physical vapor deposition, has simple preparation process, low deposition temperature, no pollution, less consumption, uniform and compact film etc.. Ta hardness of C coating of the invention is close to the hardness of diamond, with higher hardness, better self lubrication and low friction coefficient. The invention of the Ta C coating applied to soft metal cutting tools and plastic molding, can significantly reduce wear and inhibit adhesion, improve the service life of the tool and die.

【技术实现步骤摘要】
一种物理气相沉积Ta-C涂层的制备方法及Ta-C涂层
本专利技术涉及金属工具、塑胶模具表面改性领域，具体涉及一种物理气相沉积Ta-C涂层的制备方法及Ta-C涂层。
技术介绍
随着先进制造技术的高速发展，对刀具、模具及机械零部件在精度、使用寿命和功能上提出了更高的要求，特别是它们的表面质量决定了被加工产品的合格率、生产效率，以及机械设备零部件的性能等。大量实践证明，气相沉积硬质涂层是一种能有效改善和提高材料表面性能的方法。近十年来气相沉积技术，尤其是物理气相沉积(PhysicalVaporDeportation，简称PVD)技术取得了突飞猛进的发展，各类PVD技术制备的TiN，TiCN，TiAlN、DLC等涂层极大的提高了材料表面的各类使用性能，如耐磨、减摩、抗腐蚀、抗冲击和抗氧化性能等。硬质涂层技术的运用使各类刀具、模具及机械耐磨件在性能与效益方面发挥更大的优势，具有巨大的应用潜力。
技术实现思路
本专利技术的目的是制备一种Ta-C(tetrahedralamorphouscarbon，四面体非晶碳，或称四面体无定型无氢非晶碳)多层涂层。本专利技术结合辉光放电和离子溅射技术，提供了一种物理气相沉积Ta-C涂层的制备方法。一种物理气相沉积Ta-C涂层的制备方法，用于在基体表面制备Ta-C涂层，该制备方法采用离子溅射及辉光放电技术相结合的工艺，主要包括如下步骤：步骤一：采用辉光放电技术，等离子清洗基体表面杂质；在已加温的真空炉腔内进行氩离子轰击以清除基体表面杂质，真空炉腔中温度为70-90℃，真空度为9×10-5-1.3×10-4Pa，氩离子轰击频率为13-17Hz；步骤二：采用离子溅射技术沉积Ti打底层；向真空炉腔内通入氩气(Ar)，氩气(Ar)流量为40-70sccm，真空炉腔内温度为75-95℃，真空度为8.5×10-5-1.1×10-4Pa，Ti靶通电，在基体表面沉积Ti打底层涂层，Ti靶电流为210-280mA，电压为340-400V，沉积时间5-6min；步骤三：采用离子溅射技术制备Ti和碳结合体层；继续通入氩气(Ar)，氩气(Ar)流量为30-60sccm，真空炉腔内温度为80-100℃，真空度为8×10-5-1×10-4Pa，使Ti靶和石墨靶同时通电，在Ti打底层外侧沉积Ti和碳的结合体涂层；其中，Ti靶电流为200-260mA，电压为350-400V，石墨靶电流为220-280mA，电压为360-420V，沉积时间3-4min；步骤四：采用离子溅射技术沉积四面体无定型无氢非晶碳层；保持氩气(Ar)通入，氩气(Ar)流量为55-90sccm，真空炉腔内温度为80-95℃，真空度为9×10-5-1.15×10-4Pa，停止Ti靶通电，保持石墨靶通电，在Ti和碳的结合体层外侧制备四面体无定型无氢非晶碳层，石墨靶电流为200-260mA，电压为350-400V，沉积时间1.5-2h。对于多层涂层而言，各层之间的结合力至关重要，而结合力与各层的物理性能有很大关系，如果各层之间结合力差，例如涂层与过渡层结合强度不好，会产生较大的应力集中及弯曲变形，最终导致涂层剥落。此外，在机械加工过程中，受到交变载荷的影响，涂层与基体结合强度不足也会使得涂层从基体剥落。制备工艺是影响涂层性能的主要因素，不同工艺步骤制备出来的涂层性能差异很大。不同的制备工艺影响制备得到的制品中基体与底层、底层与过渡层、过渡层与最外层的结合强度。制备工艺参数设定不合适，将导致非晶碳层Ta-C与过渡层的结合强度不足，不能达到通过过渡层的添加来提高膜/基结合力的目的，机械加工中非晶碳层与过渡层容易受到交变载荷的影响而从基体剥落，不能满足机械加工要求。本专利技术通过步骤一到步骤四中各种清洗和涂层过程的设置及参数的设定，调整基体层与Ti打底层、Ti打底层与Ti和碳结合体层、Ti和碳结合体层与四面体无定型无氢非晶碳层之间的物理性能匹配，大大提高了各层之间的结合力。并且，本专利技术还采用离子溅射与辉光放电相结合的技术，制备的Ta-C涂层表现出良好的结合强度，而且所需的制备温度低(70～100℃)，不会使基体退火，避免了基体因制备温度高而变软进而造成基体变软、膜基结合强度低的缺陷。本专利技术的制备方法中，步骤一采用辉光放电技术清洗基体表面杂质，使得涂层与基体更易结合；步骤二、三、四采用离子溅射技术制备Ta-C涂层，离子溅射大大提高了膜层离子能量，形成膜层的膜/基结合力好。优选地，氩离子轰击清洗的时候，基体的偏压是450-550V，氩气(Ar)流量为30-90sccm。优选地，用于沉积的Ta-C涂层所用的靶材为石墨靶(纯度为99.9％)和Ti靶(纯度为99.9％)。进一步优选，所述石墨靶和Ti靶的形状均为圆状平面靶。本专利技术采用圆状平面靶材，相较于一般常用的矩形靶材，靶材的损耗更均匀，靶材使用率更高，因而耗材少。本专利技术还提供一种Ta-C涂层，所述Ta-C涂层包括Ti打底层、Ti和碳的结合体层、四面体无定型无氢非晶碳层，所述Ti打底层、Ti和碳的结合体层以及四面体无定型无氢非晶碳层依次设置在基体上。并且优选地，所述Ta-C涂层厚度为2.5-3μm，其中，Ti打底层厚度为0.1-0.15，Ti和碳的结合体层厚度为0.1-0.15μm，四面体无定型无氢非晶碳层厚度为2.2-2.7μm。本专利技术还提供一种工件，所述工件上涂设有上述的Ta-C涂层。本专利技术的有益效果为：本专利技术提供了一种物理气相沉积Ta-C涂层的制备方法，该制备方法具有沉积温度(70-100℃)低、对合金基体无损伤以及无污染、耗材少等特点。本专利技术制备的涂层硬度可达HV5000，接近于金刚石的硬度。本专利技术的Ta-C涂层应用于软金属加工刀具及塑胶成型模具，可以显著减少磨损、抑制粘着、提高刀具及模具使用寿命。附图说明图1是本专利技术的Ta-C涂层及其制备示意图；图2是本专利技术实施例的制备物理气相沉积Ta-C涂层的设备炉腔的结构示意图；图3是本专利技术实施例2的球阀涂层前的照片；图4是本专利技术实施例2的Ta-C涂层后的球阀整机的照片；图5是本专利技术实施例2的Ta-C涂层后的球阀整机进行启闭热态耐久性试验的照片；图6是本专利技术实施例3的Ta-C涂层硬质合金铣刀的照片。具体实施方式本专利技术提供一种物理气相沉积Ta-C涂层的制备方法及Ta-C涂层，以及设置了所述Ta-C涂层的工件。物理气相沉积(PhysicalVaporDeposition，PVD)是一种真空条件下采用物理方法，将固体或液体材料表面气化成气态原子，分子或部分电离成离子，在机体表面沉积具有某种特殊功能薄膜的技术。该工艺具有无污染，耗材少，成膜均匀致密等优点。利用该工艺制备的Ta-C(四面体非晶碳)涂层应用于机械零部件、塑胶模具以及软金属加工刀具，可以显著提高其使用寿命及加工性能。请参见图1，本专利技术的Ta-C涂层，包括Ti打底层、Ti和碳的结合体层以及四面体无定型无氢非晶碳层，并且所述Ti打底层、Ti和碳的结合体层以及四面体无定型无氢非晶碳层依次设置在基体上。并且优选地，所述Ta-C涂层厚度为2.5-3μm，其中，Ti打底层厚度为0.1-O.15μm，Ti和碳的结合体层厚度为0.1-0.15μm，四面体无定型无氢非晶碳层厚度为2.2-2.7μm。图1同时可见，该涂层的制备气氛中同时存本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种物理气相沉积Ta‑C涂层的制备方法，用于在基体表面制备Ta‑C涂层，其特征在于，该制备方法采用离子溅射及辉光放电技术相结合的工艺，主要包括如下步骤：步骤一：采用辉光放电技术，等离子清洗基体表面杂质；在已加温的真空炉腔内进行氩离子轰击以清除基体表面杂质，真空炉腔中温度为70‑90℃，真空度为9×10

【技术特征摘要】
1.一种物理气相沉积Ta-C涂层的制备方法，用于在基体表面制备Ta-C涂层，其特征在于，该制备方法采用离子溅射及辉光放电技术相结合的工艺，主要包括如下步骤：步骤一：采用辉光放电技术，等离子清洗基体表面杂质；在已加温的真空炉腔内进行氩离子轰击以清除基体表面杂质，真空炉腔中温度为70-90℃，真空度为9×10-5-1.3×10-4pa，氩离子轰击频率为13-17Hz；步骤二：采用离子溅射技术沉积Ti打底层；向真空炉腔内通入氩气，氩气流量为40-70sccm，真空炉腔内温度为75-95℃，真空度为8.5×10-5-1.1×10-4Pa，Ti靶通电，在基体表面沉积Ti打底层涂层，Ti靶电流为210-280mA，电压为340-400V，沉积时间5-6min；步骤三：采用离子溅射技术制备Ti和碳结合体层；继续通入氩气，氩气流量为30-60sccm，真空炉腔内温度为80-100℃，真空度为8×10-5-1×10-4Pa，使Ti靶和石墨靶同时通电，在Ti打底层外侧沉积Ti和碳的结合体涂层；其中，Ti靶电流为200-260mA，电压为350-400V，石墨靶电流为220-280mA，电压为360-420V，沉积时间3-4min；步骤四：采用离子溅射技术沉积四面体无定型无氢非晶碳层；保持氩气通入，氩气流量为55-90sccm，真空炉腔内温度为80-...

【专利技术属性】
技术研发人员：张而耕，何澄，黄彪，周琼，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：上海,31