[发明专利]一种金属-类金刚石(Me-DLC)纳米复合膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属表面涂层及其制备方法，特别涉及一种金属-类金刚石(Me-DLC)纳米复合膜及其制备方法。

背景技术

表面涂层技术在五金外饰件上已经应用了很久，主要以电镀技术为主。但随着社会发展，公众对于环境保护、能源节约的意识逐渐加强，高污染、高能耗电镀行业处于逐步被淘汰的地步，并被具有节能、环保特点的真空离子镀技术为代表的先进表面处理技术逐渐取代。目前在五金外饰件上利用真空离子镀制备的各种装饰功能薄膜，由于膜层较薄(0.2～1.0μm)，其耐磨性及耐腐蚀性一般都不好。利用真空离子镀制备的类金刚石膜，具有一系列与金刚石膜相似的优异性能，特别是低的摩擦系数，高的耐磨性，良好的耐腐蚀性和生物相容性以及颜色均匀一致性。

中国专利号ZL 200710028834.3公开了采用离子源结合磁控溅射技术制备金属碳化物/类金刚石纳米多层膜材料，该多层膜材料具有较高的显微硬度、低的摩擦系数、牢靠的附着力等性能。但纳米多层膜是由两种物质交替沉积构成，在非平面样品上，由于不同部位膜层的沉积速率不一，在具体工件的背面沉积速率比正面慢，而DLC层在一定的厚度范围内是呈干涉彩色的，这样造成了金属碳化物/类金刚石纳米多层膜在目标工件上呈外观颜色不一致。

发明内容

本发明的目的在于克服现有表面涂层技术存在的缺点和不足，提供一种Me-DLC纳米复合膜，该膜层材料具有高的显微硬度及耐磨性、低的摩擦系数、良好的膜基结合力及表面均匀一致的颜色等性能，以起到保护外饰件表面抗刮伤、耐腐蚀性和提高生物相容性。

本发明的另一个目的是提供一种Me-DLC纳米复合膜的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：所述的Me-DLC纳米复合膜依次由基材1、金属过渡层2、金属氮化物过渡层3、金属碳化物过渡层4和掺金属类金刚石层5构成。

所述的基材1为钢铁、钛合金或硬质合金。

所述的Me-DLC纳米复合膜的制备方法是采用Ti、Cr或W做靶材，在达到本底真空：5.0×10^-3Pa，温度：150～350℃，工件架转速：1～5rpm条件下，依次包括以下步骤：

①离子束清洗基材：炉内压强：0.1～1.0Pa，Ar气流量：100～300sccm，离子源：0.5～2.0kW，负偏压：100～800V，时间：40～60min；

②金属过渡层沉积：炉内压强：0.2～0.5Pa，Ar气流量：150～200sccm，非平衡磁控溅射Ti或Cr，靶功率：2.0～10kW，离子源：0.5～1.0kW，负偏压：50～200V，时间：5～15min；

③金属氮化物过渡层沉积：炉内压强：0.3～0.6Pa，Ar气流量：100～200sccm，N₂：20～60sccm，非平衡磁控溅射Ti或Cr，靶功率：5.0～10kW，离子源：0.5～1.0kW，负偏压：50～200V，时间：5～15min；

④金属碳化物过渡层沉积：炉内压强：0.3～0.6Pa，Ar气流量：100～200sccm，CH₄或C₂H₂气流量：20～100sccm，非平衡磁控溅射Ti、Cr或W，靶功率：3.0～8.0kW，离子源：0.5～1.0kW，负偏压：50～200V，时间：5～15min；

⑤掺金属类金刚石层沉积：炉内压强：0.3～0.55Pa，Ar气流量：120～200sccm，CH₄或C₂H₂气流量：160～250sccm，离子源：2.5～3.5kW，非平衡磁控溅射Ti、Cr或W，靶功率：0.5～1.0kW，负偏压：20～100V，时间：60～120min。

本发明所述的金属层过渡层为Ti或Cr。沉积金属层Ti或Cr是因为适当的金属层和钢铁、钛合金或硬质合金等材料的粘附性好，该层的厚度为100～200nm。

本发明所述的金属氮化物层TiN或CrN(1500-2500Hv)和金属碳化物层TiC、CrC或WC(Hv2000-3000)，是为了在基材和Me-DLC纳米复合膜之间建立硬度热膨胀系数梯度过渡，降低膜层内应力，提高膜/基结合力及膜层的韧性，该层的厚度分别为100～200nm。