本发明专利技术公开一种非晶碳涂层。该涂层由打底层、中间过渡层和顶层构成。打底层为金属层，中间过渡层为金属和非晶碳混合层，顶层为掺杂少量金属的非晶碳涂层。本发明专利技术还提供涂层的制备方法：在真空环境中用高能氩离子对工件进行溅射清洗；沉积金属层进行打底，作为涂层打底层；通过控制溅射靶的功率和电流实现涂层中金属元素和碳元素梯度变化沉积过渡层和顶层。本发明专利技术制备的梯度变化非晶碳涂层具有硬度高、摩擦因数低、自润滑性能及抗磨损性能优良和涂层表面质量优异等优点。采用该工艺制备涂层具有时间短、效率高、成本低、适用于工业化大规模生产特点，具有较大的应用价值。本非晶碳涂层可用于柴油发动机挺柱、调整盘的修复、延寿。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于薄膜材料领域，涉及一种非晶碳涂层，及该涂层的制备方法。 还涉及将上述非晶碳涂层用于发动机气门挺柱、调整盘修复延寿的应用。
技术介绍
固体润滑薄膜通过阻止摩擦副之间的直接接触，可以有效避免摩擦副的粘 着磨损和应变疲劳，因而能够显著提高摩擦副材料的摩擦学性能。非晶碳涂层 (又称类金刚石薄膜，Diamond-like Carbon,简称DLC)是一种非晶态薄膜， 由于具有高硬度和高弹性模量、低摩擦因数、耐磨损以及良好的真空摩擦学特 性，很适合用于工作在苛刻条件下的耐磨涂层。自20世纪80年代中期以来， 非晶碳涂层材料逐渐成为材料领域研究的热点。研究主要集中在不同方法制备 非晶碳涂层技术。DLC的制备技术包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉 积(PVD)。研究表明，由于DLC膜是由sp3、 sp2、 5 1不同结构碳以及掺入元素构成 的非晶结构涂层，膜层内部及表面C结构和H含量变化对其机械性能及摩擦 学性能影响显著。DLC膜自身通常具有非常高的内应力(几个GPa)导致其与 底材的结合较差，特别是与钢基材之间。基于此，DLC膜的工业应用受到了很 大的影响。近年来，PVD制备的DLC涂层的内应力和附着力一直是研究的重 点问题之一。许多学者通过添加其它金属或非金属元素以及制备纳米复合涂 层、梯度结构涂层、多层结构涂层等涂层的方法来提高涂层的结合强度。梯度 涂层主要是通过成分与结构的梯度变化消除涂层与基体之间的宏观界面，从而 有效改善涂层与基材之间热膨胀和晶格的差异性，以降低界面与薄膜的内应 力。该类涂层结构设计方法己成为目前解决DLC涂层结合强度和应力的最有 效手段。为此，我们提出研究一种结构梯度变化的非晶碳涂层，并将其用于汽 车发动机气门挺柱、调整盘延寿的结构中
技术实现思路
— 本专利技术的目的在于提供一种非晶碳涂层；本专利技术的另一个目的在于提供上述涂层的制备方法，该方法适合于规模化 生产、用于特殊易磨损部件减摩延寿的结构梯度变化非晶碳涂层制备，具有时 间短、效率高、成本低的特点。本专利技术还涉及使用上述非晶碳涂层用于发动机气门挺柱、调整盘的修复延寿的应用。为实现上述目的，本专利技术采取以下设计方案一种非晶碳涂层，其设在零件的基体表面上，例如，设置在零部件的金属 表面，该涂层由从内到外包括打底层、中间过渡层和顶层，打底层中包括金属Ti和Cr，中间过渡层包括Ti、 Cr和C元素，且为元素含量梯度变化的混和层， 实现底层纯金属层到顶层类金刚石涂层的过渡，顶层为包括掺杂有少量金属 Ti和Cr的类金刚石涂层；其中，中间过渡层中的Cr元素的含量从底层到表层 方向呈逐渐递减的趋势，C元素呈逐渐增加的趋势，而Ti元素的含量基本保 持稳定。在基体与非晶碳涂层之间有一层Ti和Cr作为金属的所述打底层，其中 Ti和Cr的原子百分含量分别为5 10%和40 60%，其它为基体，且底层金 属与基体元素相互扩散，形成良好的结合层；所述打底层与顶层之间是Ti、 Cr和C的混合的中间过渡层，从内到外，其中Cr含量由40 60%递减至20 30%， Ti元素稳定在5 10%， C元素由30 40%递增至60 70%;所述顶层 是掺杂少量Ti、 Cr元素的非晶碳涂层，掺杂的Ti、 Cr原子百分含量均分别为 5 10%和5 20%， C元素含量为70 90%。通常，所述涂层的总厚度在1.0 3.0^im的范围。上述打底层金属的厚度可以为200 500nm，中间过渡层的厚度可以为 1000 2000nm，顶层的厚度可以为200 500nm。本专利技术的上述技术方案中，底层为纯金属，用于增加涂层与基体材料的结 合力，中间过渡层为Ti、 Cr和C元素梯度变化的混和层，实现底层纯金属到 顶层类金刚石涂层的缓冲，增加涂层的附着力，降低涂层的内应力。顶层为掺 杂少量金属的类金刚石涂层，涂层保持了较高的硬度和良好的耐磨和减摩性 能。上述非晶碳涂层的制备工艺是采用多源磁控溅射法，所用溅射靶材料是工业纯铬Cr靶、钛Ti靶和石墨 C靶，在靶源位置上分别放置纯铬Cr靶、钛Ti靶和碳C靶各两对，共6对， 12只溅射靶，通过6个开关来控制6对溅射耙的功率和电流的大小；系统的本 底真空即开始本工艺流程之前工作空间的压力为1.0 2.0xl(T2Pa，工作气压 为2 4xlO"Pa;通过通入工作气体为高纯Ar气维持该工作压力；制备工序 包括制备金属打底层开启铬Cr靶、钛Ti靶，在基材表面沉积金属打底层；制备溅射涂层其后，开启铬Cr靶、钛Ti靶和石墨C靶，进行溅射涂层的制备，在溅射非晶碳涂涂层制备过程中，通入辅助反应气体乙炔C2H2。各个溅射靶的工业纯的程度分别为铬靶纯度99.99%，钛靶99.8%，石墨耙99.99%。工作气体高纯Ar气的纯度为99.999%,乙炔气体的纯度〉98%。 其制备工艺参数可以是在溅射非晶碳涂层制备过程中，Cr靶的电流由25.0 28.0A依次递减至 0.2 1.0A，功率由15.0 16.0KW依次递减至1.0 1.5KW; Ti耙的电流由 30.0 35. 0 A依次递减至5.0 7.0A，功率由17.0 17.5KW依次递减至5.0 6.0KW;石墨C耙电流由0.5 2.0A依次递增至21.0 25.5A，功率由1.0 1.5KW依次递增至15.0 16.0KW。由此在工件上形成由中间过渡层和顶层在 内的整个非晶碳涂层。在制备中间过渡层和顶层过程中，还设置脉冲偏压，从 -600 -400￥起始，逐渐递减，终了偏压不低于-50丫，占空比由60%递增到80%。具体的，涂层的制备过程主要可包括五个步骤抽真空；溅射清洗；主轰 击打底；镀膜；冷却。1. 抽真空使得工作空间的压力达到本底要求的所述压力， 粗抽时间5 10min，抽至2.0 2.6xlOG Pa; 细抽时间45 60min，抽至1.0 2.0xl(T2 Pa。2. 溅射清洗在沉积涂层之前，用高能氩离子对工件表面进行轰击净化，去除杂质原子， 提高涂层的附着力，可以选用的脉冲偏压-1400 -1200 V，占空比70%，氩气 流量220 230sccm，时间为10 15min。3. 主轰击打底在基材表面沉积金属打底层，溅射靶的工艺参数如表l所示。表l打底时溅射靶的工艺参数溅射耙溅射靶功率(KW)溅射靶电流(A)铬耙(Cr)15.0 16.025.0 30.0钛靶(Ti)17.0 18.027.0 30.0其它的参数脉冲偏压-800 -600V;占空比50%;氩气流量50 60sccm;时间10min;4.镀膜时(l)沉积中间过渡层时溅射靶的工艺参数如表2所示。为提高沉积效率和结合强度，镀膜时可以加脉冲负偏压由-600 -400V， 按照时间间隔每10 15min递减-100V至-IOOV为止，相应的，占空比由60% 每10min增加5%直至80%;氩气流量50 60sccm，乙炔流量5sccm。铬靶和钛靶的功率每10 15分钟降低2~3KW，电流每10 15分钟降低 3 5A;石墨靶的功率每10~15分钟增加2-3KW，电流每10 15分钟增加3 5A。沉积时间为60min。表2沉积中间过渡层时溅射革fi的工艺参数<table>table see original本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种非晶碳涂层，其设在零件的基体表面上，其特征是：该非晶碳涂层由打底层、中间过渡层和顶层三层构成；所述打底层为Ｔｉ、Ｃｒ金属层，中间过渡层为Ｔｉ、Ｃｒ和非晶碳的混合层，顶层为掺杂有少量Ｔｉ、Ｃｒ的非晶碳涂层；其中，过渡层中的Ｃｒ元素的含量从底层到表层方向呈逐渐递减的趋势，Ｃ元素呈逐渐增加的趋势，而Ｔｉ元素的含量基本保持稳定。
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：张伟，柳清亮，汪勇，张纾，徐滨士，
申请(专利权)人：中国人民解放军装甲兵工程学院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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