專利名稱：一種提高鎂合金抗磨損性能的碳膜及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種提高鎂合金抗腐蝕性能和抗磨損性能的保護薄膜及其制備方法。
背景技術：
鎂合金具有密度小，比強度、比剛度高、鑄造性好，可循環(huán)再利用等優(yōu)點，在能源、 交通、航空航天、機械，電子等領域得到了日益廣泛的應用。但鎂合金存在的抗摩擦磨損性 能差、耐腐蝕性差、硬度低等幾個關鍵問題，使其廣泛應用受到極大制約。除了微弧氧化、陽 極氧化等傳統(tǒng)表面處理技術，采用綠色、干式、無毒的真空鍍膜技術，在鎂合金表面沉積一 層硬質耐磨防護涂層是目前解決上述關鍵問題的最理想技術途徑。 與傳統(tǒng)硬質耐磨防護涂層相比，類金剛石(Diamond-like carbon, DLC)薄膜是具 有高硬度、低摩擦系數(shù)、良好耐腐蝕性和耐磨損性等諸多優(yōu)點的新型硬質保護涂層材料，在 機械、微機電、工模具、航空航天等領域已顯示了重要應用前景和價值。尤其因其表現(xiàn)出的 極低摩擦系數(shù)、良好耐磨損性和化學惰性，在鎂合金材料表面開展類金剛石薄膜材料制備 技術的研究，被認為是改善鎂合金耐磨損性差和耐腐蝕性，提高其使用壽命和可靠性運行 的理想方法之一。然而，目前有關此方面的研發(fā)工作還非常少。考慮到類金剛石薄膜制備 過程中因高能離子轟擊而導致薄膜中存在的高殘余壓應力，以及薄膜與軟基材鎂合金之間 晶格參數(shù)、物化特性的較大差異，類金剛石薄膜與鎂合金基材間的結合力往往很差，這一方 面導致薄膜容易剝落，保護功能失效；一方面也導致厚膜生長難以獲得。如何從制備技術和 涂層結構設計出發(fā)，實現(xiàn)強膜/基結合力、高硬度、低摩擦系數(shù)的鎂合金用類金剛石薄膜制 備是目前亟需解決的技術關鍵。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的第一個技術問題是針對上述現(xiàn)有技術提供一種應力低、在鎂合 金上具有較高的附著力的碳膜。 本發(fā)明所要解決的第二個技術問題是針對上述現(xiàn)有技術提供一種應力低、在鎂合 金上具有較高的附著力的碳膜的制備方法。 本發(fā)明解決上述第一個技術問題所采用的技術方案為該提高鎂合金抗磨損性能 的碳膜，其特征在于該碳膜為類金剛石薄膜，并且該類金剛石薄膜中含有原子百分比為 2% 10%的金屬元素。
所述金屬元素為鈦或鉻或鎢。 本發(fā)明解決上述第二個技術問題所采用的技術方案為該提高鎂合金抗磨損性 能的碳膜的制備方法，采用磁控濺射與離子束濺射復合鍍膜機進行所述類金剛石薄膜的制 備，該磁控濺射與離子束濺射復合鍍膜機包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和能同時公 轉和自轉的工件托架，工件托架安裝在真空室內部，其特征在于在所述真空室的氣壓大于 等于2X10—STorr，溫度小于等于IO(TC情況下，通過以下步驟制備所述類金剛石薄膜
步驟一、清洗基體將基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓調整到2X10—、orr，開啟線性離子源，向線性離子源通入30 50sccm氬氣，線性離子束源工作電 流為0. 2A，工作功率為260 300W，同時將基體的負偏壓設為100 300V，工作時間為20 分鐘； 步驟二、在基體表面沉積類金剛石薄膜同時開啟線性離子束源和磁控濺射源，磁 控濺射源為純度大于等于99. 99%的單質鉻靶或純度大于等于99. 99%的單質鈦靶或純度 大于等于99. 99%的單質鎢靶，向線性離子源通入CH4或C2H2等碳氫氣體，氣體流量為25 35sccm，，線性離子束源工作電流為0. 2A，工作功率為280 320W ;向磁控濺射源通入50 60sccm氬氣，磁控濺射功率為1 1. 5KW，工作電流為3A ;通過改變碳氫氣體與氬氣的比 例，來控制薄膜中金屬元素的摻雜量，使該類金剛石薄膜中金屬元素的原子百分比為2% 10%，同時將基體的負偏壓設為50 IOOV，工作氣壓設為4. 5X10—^orr，沉積時間為1 2小時； 步驟三、待真空室溫度降至室溫，打開真空室腔體，取出基體，該基體表面即為所
述類金剛石薄膜。 所述基體為鎂合金基體。 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于在類金剛石薄膜中引入微量金屬元素，在極 大降低薄膜內應力同時，對類金剛石薄膜硬度損傷較小，可以較大提高類金剛石薄膜與鎂 合金基體的附著力和鎂合金的耐磨損壽命。


圖1為本發(fā)明實施例一中提高鎂合金抗磨損性能的碳膜的制備方法流程圖。
圖2為使用本發(fā)明實施例一中方法在鎂合金表面制備類金剛石薄膜和沒有鍍膜 的鎂合金的摩擦系數(shù)隨摩擦距離變化關系圖。 圖3為經過摩擦測試后，使用本發(fā)明實施例一中方法鍍膜后的鎂合金與沒有鍍膜 的鎂合金表面的磨損深度對比圖。
具體實施例方式
以下結合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。 本發(fā)明首先提供了一種提高鎂合金抗磨損性能的碳膜，該碳膜為類金剛石薄膜， 并且該類金剛石薄膜中含有原子百分比為2% 10%的金屬元素，這里的金屬可以是鈦 Ti，也可以是鉻Cr，也可以是鴇W。
上述類碳膜的制備方法實施例一 采用磁控濺射與離子束濺射復合鍍膜機進行所述類金剛石薄膜的制備，該磁控 濺射與離子束濺射復合鍍膜機包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和能同時公轉和自 轉的工件托架，工件托架安裝在真空室內部，其特征在于在所述真空室的氣壓大于等于 2X10—STorr，溫度小于等于IO(TC情況下，通過以下步驟制備所述類金剛石薄膜
步驟一、清洗鎂合金基體將鎂合金基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓 調整到2X 10—3Torr，開啟線性離子源，向線性離子源通入40sccm氬氣，線性離子束源工作 電流為0. 2A，工作功率為260W，同時將基體的負偏壓設為IOOV，工作時間為20分鐘；
步驟二、在基體表面沉積類金剛石薄膜同時開啟線性離子束源和磁控濺射源，
4磁控濺射源為純度大于等于99. 99 %的單質鉻靶，向線性離子源通入CH4，氣體流量為 27sccm，，線性離子束源工作電流為0. 2A，工作功率為280W ;向磁控濺射源通入53sccm氬 氣，磁控濺射功率為1. 2KW，工作電流為3A ;同時將基體的負偏壓設為50V，工作氣壓設為 4. 5X 10—、orr，沉積時間為1小時； 步驟三、待真空室溫度降至室溫，打開真空室腔體，取出基體，該基體表面即為所 述類金剛石薄膜。 經過殘余應力儀、劃痕儀測試，在鎂合金上沉積的摻雜鉻Cr的類金剛石薄膜的殘 余壓應力為0. 25GPa，膜/基臨界載荷為8N，薄膜的附著力良好。對摻雜有鉻Cr的類金剛 石膜涂敷保護和無膜涂敷保護的鎂合金樣品試塊(AZ31)進行摩擦學測試，摩擦條件為載 荷1N，摩擦速率為100mm/s，摩擦距離為100m，摩擦對偶球軸承鋼SUJ-2(HRC 60)，濕度 50%，溫度251:。結果表明摻雜鉻Cr的類金剛石膜保護的鎂合金樣品塊的摩擦系數(shù)為 0. 3，經過100m摩擦后，薄膜基本保持完好，磨損率為2. 1 X 10—6mm3/N m。無膜保護的AZ31 摩擦系數(shù)為0. 4，磨損率高達2. 3X 10—3mm3/N m，是有薄膜涂敷樣品的約1000倍。
上述類碳膜的制備方法實施例二 采用磁控濺射與離子束濺射復合鍍膜機進行所述類金剛石薄膜的制備，該磁控 濺射與離子束濺射復合鍍膜機包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和能同時公轉和自 轉的工件托架，工件托架安裝在真空室內部，其特征在于在所述真空室的氣壓大于等于 2X10—STorr，溫度小于等于IO(TC情況下，通過以下步驟制備所述類金剛石薄膜
步驟一、清洗鎂合金基體將鎂合金基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓 調整到2X10—^orr，開啟線性離子源，向線性離子源通入30sccm氬氣，線性離子束源工作 電流為0. 2A，工作功率為280W，同時將基體的負偏壓設為200V，工作時間為20分鐘；
步驟二、在基體表面沉積類金剛石薄膜同時開啟線性離子束源和磁控濺射源， 磁控濺射源為純度大于等于99. 99 %的單質鈦靶，向線性離子源通入CH4，氣體流量為 25sccm，，線性離子束源工作電流為0. 2A，工作功率為260W ;向磁控濺射源通入50sccm氬 氣，磁控濺射功率為1KW，工作電流為3A ;同時將基體的負偏壓設為80V，工作氣壓設為 4. 5X 10—3Torr，沉積時間為1. 5小時； 步驟三、待真空室溫度降至室溫，打開真空室腔體，取出基體，該基體表面即為所 述類金剛石薄膜。 上述碳膜的制備方法實施例三 采用磁控濺射與離子束濺射復合鍍膜機進行所述類金剛石薄膜的制備，該磁控 濺射與離子束濺射復合鍍膜機包括真空室、磁控濺射源、線性離子源和能同時公轉和自 轉的工件托架，工件托架安裝在真空室內部，其特征在于在所述真空室的氣壓大于等于 2X10—STorr，溫度小于等于IO(TC情況下，通過以下步驟制備所述類金剛石薄膜
步驟一、清洗鎂合金基體將鎂合金基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓 調整到2X 10—3Torr，開啟線性離子源，向線性離子源通入50sccm氬氣，線性離子束源工作 電流為0. 2A，工作功率為300W，同時將基體的負偏壓設為300V，工作時間為20分鐘；
步驟二、在基體表面沉積類金剛石薄膜同時開啟線性離子束源和磁控濺射源， 磁控濺射源為純度大于等于99. 99 %的單質鎢靶，向線性離子源通入CH4，氣體流量為 35sccm，，線性離子束源工作電流為0. 2A，工作功率為320W ;向磁控濺射源通入60sccm氬氣，磁控濺射功率為1. 5KW，工作電流為3A ;同時將基體的負偏壓設為100V，工作氣壓設為 4. 5X 10—，orr，沉積時間為2小時; 步驟三、待真空室溫度降至室溫，打開真空室腔體，取出基體，該基體表面即為所 述類金剛石薄膜。
權利要求
一種提高鎂合金抗磨損性能的碳膜，其特征在于該碳膜為類金剛石薄膜，并且該類金剛石薄膜中含有原子百分比為2％～10％的金屬元素。
2. 根據權利要求1所述的提高鎂合金抗磨損性能的碳膜，其特征在于所述金屬為鈦 或鉻或鎢。
3. —種提高鎂合金抗磨損性能的碳膜的制備方法，采用磁控濺射與離子束濺射復合鍍 膜機進行所述類金剛石薄膜的制備，該磁控濺射與離子束濺射復合鍍膜機包括真空室、磁 控濺射源、線性離子源和能同時公轉和自轉的工件托架，工件托架安裝在真空室內部，其特征在于在所述真空室的氣壓大于等于2X10—STorr，溫度小于等于IO(TC情況下，通過以下步驟制備所述類金剛石薄膜步驟一、清洗基體將基體置于真空室的工件托架上，將真空室氣壓調整到2X10—、orr，開啟線性離子源，向線性離子源通入30 50sccm氬氣，線性離子束源工作電 流為0. 2A，工作功率為260 300W，同時將基體的負偏壓設為100 300V，工作時間為20 分鐘；步驟二、在基體表面沉積類金剛石薄膜同時開啟線性離子束源和磁控濺射源，磁控 濺射源為純度大于等于99. 99%的單質鉻靶或純度大于等于99. 99%的單質鈦靶或純度大 于等于99. 99%的單質鎢靶，向線性離子源通入CH4或C2H2等碳氫氣體，氣體流量為25 35sccm，，線性離子束源工作電流為0. 2A，工作功率為280 320W ;向磁控濺射源通入50 60sccm氬氣，磁控濺射功率為1 1. 5KW，工作電流為3A ;通過改變碳氫氣體與氬氣的比 例，來控制薄膜中金屬元素的摻雜量，同時將基體的負偏壓設為50 IOOV，工作氣壓設為 4. 5X 10—3Torr，沉積時間為1 2小時；步驟三、待真空室溫度降至室溫，打開真空室腔體，取出基體，該基體表面即為所述類 金剛石薄膜。
4. 根據權利要求3所述的提高鎂合金抗磨損性能的碳膜的制備方法，其特征在于所 述基體為鎂合金基體。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高鎂合金抗磨損性能的碳膜及其制備方法，該碳膜為類金剛石薄膜，并且該類金剛石薄膜中含有原子百分比為2％～10％的金屬元素。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于在類金剛石薄膜中引入微量金屬元素，在極大降低薄膜內應力同時，對類金剛石薄膜硬度損傷較小，可以較大提高類金剛石薄膜與鎂合金基體的附著力和鎂合金的耐磨損壽命。
文檔編號C23C14/06GK101792898SQ20101014657
公開日2010年8月4日 申請日期2010年4月9日 優(yōu)先權日2010年4月9日
發(fā)明者代偉, 吳國松, 汪愛英 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所