一种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了一种四面体非晶碳膜ta

【技术实现步骤摘要】
一种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，涉及一种利用辅助阳极弧光增强的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，现有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。然而，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。
[0004]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。但是由于涂层技术本身的原理性，此两种技术各具优缺点：电弧离子镀技术具有沉积速率高，涂层结合力好等优点，但是其缺点是涂层表面粗糙度较大；磁控溅射技术具有涂层表面光滑的优点，但是沉积速率低，结合力较弱，绕射性不好等不足。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

[0005]本专利技术目的是提供一种利用辅助阳极弧光增强的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，以提高粒子的离化率、提高涂层沉积速率、提高硬度、降低涂层粗糙度。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供一种四面体非晶碳膜ta
‑
C涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1、清洗基体：将基体抛光处理，超声清洗后进行功率为1500W的离子轰击，得到清洗后的基体；
[0008]S2、通入氩气和氮气，使用电弧离子镀引燃靶材；
[0009]S3、将清洗后的基体停留在Cr靶之前，通过高功率脉冲反应溅射获得CrN底层；
[0010]S4、将溅射CrN底层后得到的基体停留在Cr靶之前，通过功率为5
‑
10kW的脉冲反应溅射获得CrC过渡层；
[0011]S5、将溅射获得CrC过渡层的基体停留在石墨靶前，通过功率3.5
‑
6.0kw的脉冲多靶磁控溅射获得ta
‑
C涂层。
[0012]优选的，步骤S1中所述超声清洗方法包括依次使用无水酒精和丙酮进行功率均为
30kHz的超声清洗，时间为5min。
[0013]优选的，步骤S1中所述离子轰击的条件为抽真空到6
×
10
‑3Pa后通入Ar气，维持真空度在0.5Pa；所述离子轰击时间为20
‑
25min。
[0014]优选的，步骤S3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。
[0015]优选的，步骤S4中所述脉冲反应溅射获得CrC过渡层的条件包括脉冲频率1000
‑
2500Hz，脉冲宽度100
‑
200us，最大峰值电流300A，气压为0.4
‑
0.5Pa，Ar气流量：150
‑
250sccm。
[0016]优选的，步骤S2中所述使用电弧离子镀引燃靶材的方法包括控制输入电流100
‑
140A，使电弧离子镀靶前挡板固定于距离靶面180
‑
220cm处；当设定脉冲磁控溅射靶输入功率低于100w时，电弧离子镀靶持续工作；当功率高于100w时，电弧离子镀靶停止工作。
[0017]优选的，步骤S5中所述脉冲多靶磁控溅射为在涂层过程中，将功率3.5
‑
6.0kw的脉冲磁控溅射阴极为工作靶，将相邻靶作为辅助阳极；所述脉冲多靶磁控溅射时最大峰值电流300A，在每个脉冲周期的尾部施加250
‑
500V反向电压、频率范围5000Hz；脉冲宽度50μs；Ar气流量为50
‑
150sccm，总气压范围为0.4
‑
0.5Pa。
[0018]优选的，步骤S5中设置电弧离子镀输入电流100
‑
140A；电弧离子镀靶前挡板固定在距离靶面180
‑
220cm处。
[0019]本专利技术提供一种四面体非晶碳膜ta
‑
C涂层，由CrN底层、CrC过渡层和ta
‑
C涂层组成。
[0020]优选的，所述CrN底层的厚度为0.75μm，所述CrC过渡层的厚度为0.5μm，所述ta
‑
C厚度为0.36μm。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0022]本专利技术巧妙利用电弧离子源和辅助阳极，将靶材产生的电子引向邻近的辅助阳极，同时将电弧产生的金属离子通过挡板遮蔽，电子绕过挡板引向辅助阳极，而大量电子向辅助阳极运动过程中和氩粒子及碳粒子发生碰撞并离化，有效提高粒子的离化率、提高涂层沉积速率、提高涂层硬度、降低涂层粗糙度。
[0023]本专利技术制备ta
‑
C涂层硬度达到32Gpa以上，同时具有低于0.085的摩擦系数，具有较好的润滑性能。该方法能有效提高高功率脉冲磁控溅射沉积速率，提高涂层硬度和降低粗糙度，拓宽了此涂层技术和此涂层的研究范围，并给其它涂层种类提供了示范作用。
附图说明
[0024]图1是本专利技术带有辅助阳极弧光辅助增强的高功率脉冲磁控溅射示意图；
[0025]图2是本专利技术实施例1制备涂层的膜层形貌图；
[0026]图3是本专利技术实施例2制备涂层的膜层形貌图。
具体实施方式
[0027]以下结合具体实施例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]本专利技术提供了一种利用辅助阳极弧光增强的高功率脉冲磁控溅射(HIPIMS)制备
高硬度四面体非晶碳膜ta
‑
C涂层的方法。
[0029]其中涉及到的设备包括：
[0030]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；
[0031]QPlex型磁控溅射系统，上海新弧源涂层技术有限公司；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四面体非晶碳膜ta
‑
C涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、清洗基体：将基体抛光处理，超声清洗后进行功率为1500W的离子轰击，得到清洗后的基体；S2、通入氩气和氮气，使用电弧离子镀引燃靶材；S3、将清洗后的基体停留在Cr靶之前，通过高功率脉冲反应溅射获得CrN底层；S4、将溅射CrN底层后得到的基体停留在Cr靶之前，通过功率为5
‑
10kW的脉冲反应溅射获得CrC过渡层；S5、将溅射获得CrC过渡层的基体停留在石墨靶前，通过功率3.5
‑
6.0kw的脉冲多靶磁控溅射获得ta
‑
C涂层。2.根据权利要求1所述四面体非晶碳膜ta
‑
C涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述超声清洗方法包括依次使用无水酒精和丙酮进行功率均为30kHz的超声清洗，时间为5min。3.根据权利要求1所述四面体非晶碳膜ta
‑
C涂层的制备方法，其特征在于，步骤S1中所述离子轰击的条件为抽真空到6
×
10
‑3Pa后通入Ar气，维持真空度在0.5Pa；所述离子轰击时间为20
‑
25min。4.根据权利要求1所述四面体非晶碳膜ta
‑
C涂层的制备方法，其特征在于，步骤S3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
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150sccm。5.根据权利要求1所述四面体非晶碳膜ta
‑
C涂层的制备方法，其特征在于，步骤S4中所述脉冲反应溅射获得CrC过渡层的条件包括脉冲频率1000
‑
2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李建中，何哲秋，冯利民，吴静怡，胡剑南，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：