[发明专利]一种催渗等离子氮碳共渗与类金刚石复合膜层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属表面复合膜层的制备方法，特别涉及一种催渗等离子氮碳共渗与类金刚石复合膜层的制备方法。

背景技术

类金刚石(DLC)具有高硬度(10～80GPa)，低摩擦系数(0.07～0.3)，高的弹性模量，高的声传播速度，高热导率，良好的化学惰性和生物相容性等，被广泛应用于耐磨减摩场合、生物领域以及装饰品等。由于DLC膜层与基体(如钢、钛合金等)的结构和性能差异大，导致膜/基结合力差，直接在基体上沉积时容易发生剥落而导致膜层失效。为了降低膜层与基材的突变性，降低界面应力，提高DLC膜层与基体的结合强度，通常采用梯度过渡的结构。离子氮化与PVD复合工艺是近年来发展起来的复合镀膜方法。离子氮化可以在基体表面形成厚达几十至几百微米的渗氮层，获得了较高的表面硬度以及梯度硬度的基体表面层。基体材料表面硬度的提高为后继镀制DLC膜层提供了良好的支撑作用，降低DLC膜层与基体之间的硬度突变，获得连续过渡的界面结构，可以大幅度提高DLC膜层的性能和使用寿命。与单一的类金刚石膜层相比，采用离子氮化与类金刚石膜复合的涂层性能显著提高。

CN 101665940A采用等离子渗氮与磁过滤阴极弧—磁控溅射复合沉积类金刚石膜层的方法处理活塞环表面，与单一DLC膜或镀硬铬相比膜层的硬度和结合强度都得到了提高，然后膜/基结合力只有35～40N，仍然有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的DLC膜层与基体硬度差异大、膜/基结合力差，提出一种稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗与离子镀DLC复合膜层的制备方法。

本发明的技术方案由以下步骤组成：

1)稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗：将基材除锈除油后置于离子渗氮炉中，压力50Pa以下，通入氮气∶氢气＝2∶1～10∶1和含有稀土金属氧化物的饱和C_1～3烷基醇溶液蒸汽的混合气体，炉压为200～1500Pa，炉温450～600℃，保温1～10小时，然后随炉温降至室温；

2)沉积DLC膜层：①将上述稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗处理后的工件，烘干后放入真空室中，本底真空度5.0×10^-3Pa，温度100～200℃，工件转速2～10rpm；②在压力0.2～1.0Pa，离子源0.2～2kW和偏压50～1000V下，用Ar离子轰击清洗10～30min；③沉积DLC膜层：采用C₂H₂或CH₄为碳源，气流量50～150sccm，Ar气流量100～150sccm，离子源0.2～2.0kW，偏压50～200V，压力0.2～1.0Pa或采用石墨靶为碳源，Ar压力0.2～1.0Pa，磁控溅射功率0.5～10W/cm²，离子源0.2～1.0kW，偏压50～200V。

所述稀土金属氧化物为氧化钇、氧化镧或氧化铈。

所述C_1～3烷基醇为甲醇、乙醇或异丙醇。

所述混合气体中C_1～3烷基醇溶液蒸汽占体积百分为10～22％。

经过稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗处理的钢表面可以获得更高的渗层硬度和更加平缓的硬度梯度表面，提高基体的支撑作用。同时稀土金属可以促进韧性相γ′的形成，从而增加渗层的塑韧性，提高膜层与基体的结合强度。具有良好支撑作用的基体可以发挥DLC膜层的性能优势，降低DLC膜的内应力，提高膜层稳定性。这种复合处理的方法可以大幅度提高工件的使用寿命。与未经过稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗处理而直接沉积DLC膜层相比，稀土金属氧化物催渗离子氮碳共渗与DLC复合膜层的性能显著提高，主要表现在表面硬度、膜/基结合力、耐磨性能等得到明显提高。在H13模具钢上未经过稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗而直接镀DLC膜层的膜/基结合力只有25N左右，硬度在HV_0.025，151380，经过稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗与DLC膜层处理后的膜/基结合力达到了60N以上，硬度达到了HV_0.025，152175。本发明的方法清洁环保，工艺简单，可以实现大面积工业化生产。

但利用稀土催渗等离子氮碳共渗技术与DLC膜复合处理以提高类金刚石膜的使用性能的研究未见报道。

附图说明

图1为加入氧化钇、氧化镧以及未加入稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗的硬度梯度曲线；

图2为H13钢未加入稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗的XRD谱图；

图3为H13钢经氧化钇催渗等离子氮碳共渗的XRD谱图。