[发明专利]一种多能量离子束在钢衬底上沉积非晶金刚石厚膜的方法

说明书

技术领域

本发明属于硬质耐磨涂层领域，具体涉及使用多能量离子束在钢衬底制备厚非晶金刚石 膜的方法。

技术背景

非晶金刚石(amorphousdiamond，a-D)，又称四面体非晶碳(tetrahedralamorphous carbon，ta-C)，是指SP³杂化的含量超过80％以上的无氢类金刚石碳。与非晶碳(a-C)相比， 非晶金刚石具有SP³杂化含量高，膜层致密等优点；与氢化非晶碳(a-C:H)相比，非晶金刚石 具有沉积温度低、更好的光热稳定性和更高的力学、光学和电学等性能指标；与金刚石膜相 比，非晶金刚石具有结构和性能可调、在室温下制备、表面光滑、沉积面积大等优点，因此 具备更高的实际应用价值，被广泛应用于机械、电子与微电子、生物医学及航空航天等各个 领域，尤其在军工领域DLC涂层发挥着极其重要的作用。

目前，非晶金刚石制备技术大体分为化学气相沉积和物理气相沉积，具体有PECVD法、 溅射法、离子镀、激光脉冲沉积和真空电弧沉积等。这些已有方法制备非晶金刚石需要在高 温下，而钢衬底在高温下会发生相变，这就使非晶金刚石无法沉积在钢衬底。制备的非晶金 刚石膜厚度一般为几百纳米，一方面由于膜基结合力较差，通常使用金属过渡层方法提高结 合力，另一方面是由于非晶金刚石膜层的内应力较高，非晶金刚石膜在如此高的内应力下容 易崩裂。

针对上述情况，本发明介绍一种使用磁过滤阴极弧技术，低温下，在钢衬底上沉积非晶 金刚石厚膜的方法。通过对基底加脉冲负偏压，使到达基底的碳离子束能量不再是单一能量， 而是高能量与低能量的混合，这样可以有效降低膜内应力至2-3GPa，解决了由于应力高使膜 无法长厚的问题，制备厚度高达20μm、硬度高于5000HV，且具有较好的结合力的非晶金刚 石厚膜。

发明内容

本发明的目的是介绍一种使用多能量离子束的磁过滤阴极弧技术，低温下在钢衬底上沉 积非晶金刚石厚膜方法。与传统等离子体制备非晶金刚石技术不同，整个制备过程，靶上都 加www.w有脉冲负偏压，得到多能量离子束，使到达膜表面的离子能量不再是单一的，而是 混合能量，降低膜的内应力，使其可以长厚。本发明中非晶金刚石膜形成过程包括渐变层和 沉积层，渐变层是通过高能碳离子轰击表面形成的非晶态，这样可改善膜基结合力。通过使 用双弯管，过滤掉大颗粒和中性粒子，提高薄膜纯度。通过控制上下磁场强度、弯管正偏压、 靶上负偏压大小、以及负偏压的占空比，以优化非晶金刚石膜的厚度、硬度、摩擦系数、内 应力以及结合力等技术指标。

本发明有以下优益效果：整个沉积过程温度低，低于钢的相变温度，可以成功的在钢 衬底沉积非晶金刚石膜，提高钢件表面性能的同时，又不影响钢件本身的性能。制备高能量 的渐变层，渐变层为非晶态，与钢衬底结合良好，同时，过渡层和沉积层使用同一石墨阴极， 免去其他金属过渡层换源的复杂操作。在靶上加脉冲偏压，使到达基材的离子能量为混合状 态的多能量离子束，这样有效降低非晶金刚石膜的内应力。本发明靶上所加的脉冲负偏压大 小可调，占空比可调，达到控制到达钢衬底的离子束能量的目的。本发明提供的磁过滤等离 子体沉积非晶金刚石厚膜技术，操作简单，制备的厚膜具有高硬度、耐磨损，低摩擦系数、 高结合力等特点，适合应用于刀具及轴承等工件表面沉积等领域。

附图说明

通过附图以及具体实施方式进行说明，本发明上述特征和优点将会变得更加清楚和容易 理解。

图1为本发明的非晶金刚石厚膜结构示意图，

附图标号说明：201-衬底，202-渐变层，203-沉积层；

图2为本发明双弯管磁过滤沉积装置结构示意图；

附图标号说明：101-钢衬底、102-石墨阴极源、103-进气口(本方法未使用)、104- 进气口(本方法未使用)、105-负偏压、106-磁过滤弯管、107-磁过滤线圈、108-观察窗、 109-泵接口；

图3为本发明的不锈钢衬底非晶金刚石膜层示意图；

图4为本发明的不锈钢衬底非晶金刚石膜层拉曼测试示意图；

图5为本发明非晶金刚石膜层维氏硬度测试结果；

图6为本发明的合金钢衬底非晶金刚石膜层的摩擦磨损测试示意图。

具体实施方式