一种基于反向正脉冲技术的高硬度四面体非晶碳膜ta-C涂层的制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于反向正脉冲技术的四面体非晶碳膜ta

【技术实现步骤摘要】
一种基于反向正脉冲技术的高硬度四面体非晶碳膜ta
‑
C涂层的制备方法


[0001]本专利技术涉及材料表面改性
，具体来说，涉及一种基于反向正脉冲技术和高功率脉冲磁控溅射技术制备高硬度四面体非晶碳膜ta
‑
C涂层的方法。

技术介绍

[0002]在切削加工中，刀具性能对切削加工的效率、精度、表面质量有着决定性的影响。为了更好地提高刀具的切削性能，比较有效的一种方法是采用各种涂层技术在基体上涂覆上一层或多层高硬度、高耐磨损性能的材料。刀具表面上的涂层作为一个化学屏障和热屏障，减少了刀具的月牙洼磨损，可以显著地提高加工效率、提高加工精度、延长刀具使用寿命、降低加工成本。
[0003]涂层的特点是涂层薄膜与刀具基体相结合，提高刀具的耐磨性而不降低基体的韧性，从而降低刀具与工件的摩擦因素，延长刀具的使用寿命。
[0004]Hipims(高能脉冲磁控溅射技术)是近些年新推出的PVD涂层技术。目前在PVD硬质纳米涂层材料
电弧离子镀和直流/直流脉冲磁控溅射技术是两种主要技术。
[0005]随着刀具使用条件越来越苛刻，不仅对刀具涂层的硬度提出了更高的要求，还要求涂层材料具有良好的自润滑性能，才能有效地改善刀具的使用性能。但现有技术制备的涂层表面粗糙度较大；磁控溅射技术沉积速率低，结合力较弱，绕射性较差。
[0006]采用Hipims制备四面体非晶碳涂层ta
‑
C是近些年涂层研究的热点，但由于碳材料的特点，其在溅射过程当中离化率低，成膜的离子能量低，所形成的四面体非晶碳ta
‑
C当中SP3健含量较低。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于使用反向正脉冲技术，对磁控溅射靶前产生的碳离子C
+
施加正的脉冲电压，由此加速其沉积到基体表面，同时提高靶前离化利用率，提高成膜的离子能量和薄膜沉积速率。
[0008]本专利技术提供一种基于反向正脉冲技术的四面体非晶碳膜ta
‑
C多层结构涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0009]S1、溅射CrN底层：将清洗后的基体停留在Cr靶之前，通过功率为15
‑
20kW的脉冲反应溅射获得CrN底层，得到溅射CrN底层的基体；
[0010]S2、制备CrC过渡层：将步骤S1中溅射CrN底层的基体停留在Cr靶之前，通过功率为5
‑
10kW的脉冲反应溅射获得CrC过渡层，得到溅射CrC过渡层的基体；
[0011]S3、制备ta
‑
C涂层：将步骤S2中溅射CrC过渡层的基体停留在石墨靶前，通过功率为5
‑
8kw的脉冲多靶磁控溅射得到ta
‑
C涂层；
[0012]优选的，所述基体的清洗方法包括：对基体抛光处理后，依次使用无水酒精和丙酮进行功率为15
‑
30kHz，时间为10
‑
15min的超声清洗，然后抽真空到6
×
10
‑3Pa后通入流量
200sccm的Ar气，维持真空度在0.4
‑
0.8Pa，进行功率为1000
‑
1500W的离子轰击45min。
[0013]优选的，步骤S1中所述脉冲反应溅射获得CrN底层的条件包括：脉冲频率1000
‑
2000Hz，脉冲宽度100
‑
200us，最大峰值电流300A，气压为0.4
‑
0.8Pa，Ar气流量：100
‑
250sccm，N2气流量：75
‑
150sccm。
[0014]优选的，步骤S2中所述脉冲反应溅射获得CrC过渡层的条件包括：脉冲频率2500
‑
5000Hz，脉冲宽度50
‑
200us，最大峰值电流300A，气压为0.4
‑
0.8Pa，Ar气流量：100
‑
250sccm。
[0015]优选的，步骤S3中所述脉冲多靶磁控溅射得到ta
‑
C涂层的条件包括：Ar气流量为50
‑
250sccm，气压范围为0.4
‑
0.8Pa；最大峰值电流300A；温度范围80
‑
105℃。
[0016]本专利技术提供一种所述基于反向正脉冲技术的四面体非晶碳膜ta
‑
C多层结构涂层的制备方法制备得到的ta
‑
C多层结构涂层。
[0017]优选的，CrN底层为0.5
‑
1.0μm，CrC过渡层厚度0.2
‑
0.5μm，ta
‑
C层厚度0.4
‑
1.0μm。
[0018]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0019]本专利技术采用高功率脉冲磁控溅射技术，在每个高能量负脉冲周期尾段施加一个反向的正脉冲信号，通过调节脉冲参数、控制Ar流量和温度精确控制得到优化的ta
‑
C涂层，所制备ta
‑
C涂层硬度达到30Gpa以上，同时具有低于0.1的摩擦系数，具有较好的润滑性能。本专利技术综合利用带有反向正脉冲技术和高功率脉冲磁控溅射制备四面体非晶碳ta
‑
C高硬度和低摩擦系数的优点，得到了兼具高硬度和低摩擦的涂层，在制备ta
‑
C碳薄膜时，可将薄膜的离子能量提高2
‑
4倍；有效离子利用率和薄膜沉积速率提高50
‑
60％。本专利技术涂层能够弥补传统刀具涂层使用中的不足，拓宽了刀具涂层的研究范围，工艺简单、成本低、效率高，适合铝合金等材料的高效加工。
附图说明
[0020]图1是本专利技术示波器反向正脉冲的频率示意图；
[0021]图2是本专利技术实施例1
‑
3制备ta
‑
C膜的纳米压痕测试图；
[0022]图3是本专利技术实施例4制备ta
‑
C膜的纳米压痕测试图；
[0023]图4是本专利技术实施例5制备ta
‑
C膜的纳米压痕测试图；
[0024]图5是本专利技术制备的ta
‑
C膜的表面形貌SEM图；
[0025]图6是本专利技术制备的ta
‑
C膜的断面形貌SEM图；
[0026]图7是本专利技术制备的ta
‑
C膜离子能量的提升情况图。
具体实施方式
[0027]以下结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不以任何方式限制本专利技术。
[0028]本专利技术涉及以下设备：
[0029]JGP
‑
450型磁控溅射系统，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司；
[0030]QPlex型磁控溅射系统，上海新弧源涂层技术有限公司；
[0031]NANO 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反向正脉冲技术的四面体非晶碳膜ta
‑
C多层结构涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、溅射CrN底层：将清洗后的基体停留在Cr靶之前，通过功率为15
‑
20kW的脉冲反应溅射获得CrN底层，得到溅射CrN底层的基体；S2、制备CrC过渡层：将步骤S1中溅射CrN底层的基体停留在Cr靶之前，通过功率为5
‑
10kW的脉冲反应溅射获得CrC过渡层，得到溅射CrC过渡层的基体；S3、制备ta
‑
C涂层：将步骤S2中溅射CrC过渡层的基体停留在石墨靶前，通过功率为5
‑
8kw的脉冲多靶磁控溅射得到ta
‑
C涂层；在步骤S1
‑
S3中每次脉冲周期的尾部施加反向正脉冲的50
‑
550V反向电压、频率范围200
‑
5000Hz。2.根据权利要求1所述基于反向正脉冲技术的四面体非晶碳膜ta
‑
C多层结构涂层的制备方法，其特征在于，所述基体的清洗方法包括：对基体抛光处理后，依次使用无水酒精和丙酮进行功率为15
‑
30kHz，时间为10
‑
15min的超声清洗，然后抽真空到6
×
10
‑3Pa后通入流量200sccm的Ar气，维持真空度在0.4
‑
0.8Pa，进行功率为1000
‑
1500W的离子轰击45min。3.根据权利要求1所述基于反向正脉冲技术的四面体非晶碳膜ta
‑
C多层结构涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述脉冲反应溅射获得CrN底层的条件包括：脉冲频率1000
‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建中，冯利民，何哲秋，胡剑南，吴静怡，石俊杰，高宣雯，于凯，
申请(专利权)人：上海新弧源涂层技术有限公司，
类型：发明
国别省市：