一种镁合金表面改性沉积非晶碳薄膜的方法

摘要

本发明公开了一种镁合金表面改性沉积非晶碳薄膜的方法，该方法采用电弧离子镀技术，以石墨为阴极靶材，利用电弧离子镀在镁合金上低温制备硬度高、摩擦系数小、与基片结合强度高、耐磨耐腐蚀的非晶碳薄膜。本发明工艺简单、成本低廉、沉积温度低、沉积速度快、适用于大规模的工业化生产，经过表面沉积非晶碳薄膜改性后的镁合金可广泛用于汽车零部件和航空航天领域。

说明书

技术领域

本发明属于镁合金表面处理和表面改性技术，特别是一种镁合金表面改性沉积非晶碳薄膜的方法。

背景技术

镁合金具有较高的比强度和比刚度、韧性好、易成型、抗振动、能吸收电磁辐射、可回收再利用，对环境污染小等一系列的优点。作为新一代绿色、高强、轻质的金属结构材料，在汽车工业、通讯产品、航空航天、武器装备等领域有着广泛的应用。如镁合金可用在各种民用、军用飞机的发动机零部件、螺旋桨、齿轮箱、支架结构以及火箭、导弹、卫星的一些零部件，这些零部件在不断地运动，其实际使役环境也比较苛刻，这就对镁合金的耐磨性和耐腐蚀性提出了新的要求。然而，镁合金质地柔软、硬度低，耐磨性差，并且极易氧化和腐蚀，尤其是镁合金用在飞机发动机零部件上时，这些缺陷极大地限制了镁合金的实际应用和零部件的特性。因此，对镁合金的表面处理以提供有效保护和提高镁合金表面性能非常重要。对镁合金的表面处理方法主要有阳极氧化、微弧氧化、激光表面处理和表面镀膜，阳极氧化后形成的表面膜薄难以作为耐磨层，且电解液污染环境；微弧氧化在表面可形成一层厚的氧化膜，但疏松多孔，膜层性能下降；激光表面处理，因处理面积有限不利于大规模生产，这些表面处理方法都存在很大的局限性，且处理后的表面耐蚀性和耐磨性在实际使用过程中都不理想。与其他几种方法相比，改善镁合金表面耐磨和耐腐蚀性最有效的方法是在其表面制备一层耐磨损、抗腐蚀的薄膜，利用薄膜在镁合金基体和外界环境之间形成的屏障，抑制镁合金的腐蚀和磨损。

非晶碳薄膜具有良好的力学性能和机械性能，如硬度高、弹性模量大、摩擦系数低、优异的耐磨性和耐腐蚀性、良好的化学稳定性，是一种良好的表面抗磨损防护膜。非晶碳薄膜制备工艺简单，实用性好，在机械、电子、光学、热学、声学、医学等领域得到广泛应用。

但是现有技术中不存在采用电弧离子镀设备对镁合金沉积非晶碳薄膜进行表面改性的技术。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种操作简便的镁合金表面改性沉积非晶碳薄膜的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种镁合金表面改性沉积非晶碳薄膜的方法，采用电弧离子镀沉积薄膜技术，以石墨为阴极靶材，在镁合金上沉积非晶碳薄膜，具体包括以下步骤：

步骤1、对镁合金基片进行表面预处理；

步骤2、将镁合金基片固定在电弧离子镀设备真空室内的衬底支架上，并对电弧离子镀设备真空室抽真空；

步骤3、将氩气通入真空室，之后引燃电弧，在镁合金基片上施加高偏压对镁合金表面进行轰击清洗；

步骤4、向真空室内通入沉积气体，调整沉积气氛，降低镁合金基片的偏压，调整镁合金基片的温度，控制石墨电弧源的弧电流和弧电压，在镁合金表面沉积非晶碳薄膜；

步骤5、沉积结束后，关闭弧电源和偏压，关闭气体，待工件在真空室中冷却到室温，打开真空室取出样品。

本发明与现有技术相比，其显著优点：1)采用电弧离子镀沉积薄膜技术在镁合金基片上沉积非晶碳薄膜，薄膜与镁合金结合强度高、厚度可超过1μm、硬度高、摩擦系数小、耐磨损和耐腐蚀；2)本发明在镁合金表面上能实现非晶碳薄膜的低温沉积，且沉积薄膜均匀致密；3)本发明在镁合金表面上沉积非晶碳薄膜时离化率高、沉积速度快、薄膜生长速度快；4)本发明工艺和设备简单、易行，采用低电压工作、操作安全，使用石墨靶材、成本低廉，适用于大规模的工业化生产；5)本发明在镁合金上沉积非晶碳薄膜，表面改性后的镁合金可广泛用于汽车零部件和航空航天领域。

具体实施方式

电弧离子镀设备为沉积非晶碳薄膜的一种常用设备，本发明的一种镁合金表面改性沉积非晶碳薄膜的方法，采用电弧离子镀技术，以石墨为阴极靶材，在镁合金上沉积非晶碳薄膜，具体包括以下步骤：

步骤1、对镁合金基片进行表面预处理；具体为：对镁合金基材进行砂纸打磨、抛光、除油、去污处理，之后放入丙酮或酒精中利用超声清洗机进行超声清洗，冷风吹干。

步骤2、将镁合金基片固定在电弧离子镀设备真空室内的衬底支架上，并对电弧离子镀设备真空室抽真空；电弧离子镀设备抽真空后的真空度小于或等于3×10^-3Pa。

步骤3、将氩气通入真空室，之后引燃电弧，在镁合金基片上施加高偏压对镁合金表面进行轰击清洗；石墨靶材与镁合金基片的距离为100-400mm；通入氩气后真空室的真空度为0.1-1Pa；电弧的弧电流为20-50A、弧电压为20V-30V；在镁合金基片上施加的高偏压为脉冲偏压，该高偏压为-600V～-1000V，占空比为10％-40％；轰击清洗时间为1-5分钟。

步骤4、向真空室内通入沉积气体，调整沉积气氛，降低镁合金基片的偏压，调整镁合金基片的温度，控制石墨电弧源的弧电流和弧电压，在镁合金表面沉积非晶碳薄膜；上述真空室内通入的沉积气体为氩气、氢气、氮气、碳氢气体中的一种或两种及以上的混合，通入气体后的压强为0.05-5Pa；镁合金基片的偏压为0--400V、占空比10％-40％；镁合金基片的温度为25-200℃；石墨电弧源的弧电流为20-50A、弧电压为20-30V。

步骤5、沉积结束后，关闭弧电源和偏压，关闭气体，待工件在真空室中冷却到室温，打开真空室取出样品。

下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述：

实施例1：

选用AZ91镁合金加工成边长10mm的正方形，厚度为3mm。

具体操作步骤为：

(1)镁合金的预处理：采用普通洗涤剂对加工后的镁合金基材进行除油和去污处理，然后依次用400-1200^#砂纸打磨样品，最后表面抛光。将抛光后的镁合金放入丙酮或酒精中利用超声清洗机进行超声清洗10分钟，冷风吹干、以供使用。

(2)以清洁抛光后的镁合金为衬底基片，将其放置于电弧离子镀设备真空室中，并固定于真空室内的衬底支架上，镁合金基片固定位置正对石墨靶材并与靶材的距离为100mm。然后关闭真空室，利用机械泵和扩散泵抽真空至本底真空度等于3×10^-3Pa。待达到本底真空时，打开气阀通入高纯氩气；当真空度稳定于0.2Pa时，开启石墨电弧源，弧电流为20A、弧电压为20V；脉冲偏压调至-600V、占空比为40％，对镁合金衬底进行轰击清洗，轰击清洗时间为5min，以去除衬底表面残余氧化物和残留的杂质。

(3)完成对镁合金基片轰击清洗后，继续通入氩气，在镁合金表面沉积非晶碳薄膜。将施加在镁合金基片的脉冲偏压调整为-50V、占空比20％；工作压强为0.08Pa；沉积温度为150℃；弧电流为20A、弧电压为20V；沉积时间12min。

(4)非晶碳薄膜沉积结束后，关闭弧电源和脉冲偏压，关闭气体。待工件在真空室中冷却到室温，打开真空室取出样品。

对在镁合金上沉积的非晶碳薄膜性能测试如下：

非晶碳薄膜的摩擦系数：0.15；摩擦磨损测试条件为：载荷2N、滑动速度10cm/s、摩擦副为100Cr6钢、湿度40％、温度20-25℃、摩擦距离125m。

摩擦后非晶碳薄膜的磨痕拉曼谱线研究表明在摩擦过程中非晶碳薄膜结构稳定，没有发生变化。

实施例2：

选用AZ91镁合金加工成边长10mm的正方形，厚度为3mm。

具体操作步骤为：

(1)镁合金的预处理：采用普通洗涤剂对加工后的镁合金基材进行除油和去污处理，然后依次用400-1200^#砂纸打磨样品，最后表面抛光。将抛光后的镁合金放入丙酮或酒精中利用超声清洗机进行超声清洗15分钟，冷风吹干、以供使用。

(2)以清洁抛光后的镁合金为衬底基片，将其放置于电弧离子镀设备真空室中，并固定于真空室内的衬底支架上，镁合金基片固定位置正对石墨靶材并与靶材的距离为400mm。然后关闭真空室，利用机械泵和扩散泵抽真空至本底真空度等于3×10^-3Pa。待达到本底真空时，打开气阀通入高纯氩气；当真空度稳定于1Pa时，开启石墨电弧源，弧电流为50A、弧电压为30V；脉冲偏压调至-1000V、占空比为30％，对镁合金衬底进行轰击清洗，轰击清洗时间为1.5min，以去除衬底表面残余氧化物和残留的杂质。

(3)完成对镁合金基片轰击清洗后，继续通入氩气，在镁合金表面沉积非晶碳薄膜。将施加在镁合金基片的脉冲偏压调整为-400V、占空比30％；工作压强为0.5Pa；沉积温度为200℃；弧电流为50A、弧电压为30V；沉积时间15min。

(4)非晶碳薄膜沉积结束后，关闭弧电源和脉冲偏压，关闭气体。待工件在真空室中冷却到室温，打开真空室取出样品。

对在镁合金上沉积的非晶碳薄膜性能测试如下：

含氢非晶碳薄膜的摩擦系数：0.12；摩擦磨损测试条件为：载荷2N、滑动速度10cm/s、摩擦副为100Cr6钢、湿度40％、温度20-25℃、摩擦距离125m。

摩擦后非晶碳薄膜的磨痕拉曼谱线研究表明在摩擦过程中非晶碳薄膜结构稳定，没有发生变化。

实施例3：

选用AZ91镁合金加工成边长15mm的正方形，厚度为3mm。

具体操作步骤为：

(1)镁合金的预处理：采用普通洗涤剂对加工后的镁合金基材进行除油和去污处理，然后依次用400-1200^#砂纸打磨样品，最后表面抛光。将抛光后的镁合金放入丙酮或酒精中利用超声清洗机进行超声清洗20分钟，冷风吹干、以供使用。

(2)以清洁抛光后的镁合金为衬底基片，将其放置于电弧离子镀设备真空室中，并固定于真空室内的衬底支架上，镁合金基片固定位置正对石墨靶材并与靶材的距离为250mm。然后关闭真空室，利用机械泵和扩散泵抽真空至本底真空度等于3×10^-3Pa。待达到本底真空时，打开气阀通入高纯氩气；当真空度稳定于0.5Pa时，开启石墨电弧源，弧电流为35A、弧电压为25V；脉冲偏压调至-800V、占空比为20％，对镁合金衬底进行轰击清洗，轰击清洗时间为3min，以去除衬底表面残余氧化物和残留的杂质。

(3)完成对镁合金基片轰击清洗后，关闭氩气，通入高纯氢气，在镁合金表面沉积非晶碳薄膜。将施加在镁合金基片的脉冲偏压调整为-200V、占空比40％；工作压强为3Pa；沉积温度为100℃；弧电流为35A、弧电压为25V；沉积时间10min。

(4)非晶碳薄膜沉积结束后，关闭弧电源和脉冲偏压，关闭气体。待工件在真空室中冷却到室温，打开真空室取出样品。

对在镁合金上沉积的非晶碳薄膜性能测试如下：

非晶碳薄膜的摩擦系数：0.11；摩擦磨损测试条件为：载荷2N、滑动速度10cm/s、摩擦副为100Cr6钢、湿度40％、温度20-25℃、摩擦距离125m。

摩擦后非晶碳薄膜的磨痕拉曼谱线研究表明在摩擦过程中非晶碳薄膜结构稳定，没有发生变化。

实施例4：

选用AZ91镁合金加工成边长15mm的正方形，厚度为3mm。

具体操作步骤为：

(1)镁合金的预处理：采用普通洗涤剂对加工后的镁合金基材进行除油和去污处理，然后依次用400-1200^#砂纸打磨样品，最后表面抛光。将抛光后的镁合金放入丙酮或酒精中利用超声清洗机进行超声清洗25分钟，冷风吹干、以供使用。

(2)以清洁抛光后的镁合金为衬底基片，将其放置于电弧离子镀设备真空室中，并固定于真空室内的衬底支架上，镁合金基片固定位置正对石墨靶材并与靶材的距离为200mm。之后关闭真空室，利用机械泵和扩散泵抽真空至本底真空度等于3×10^-3Pa。待达到本底真空时，打开气阀通入高纯氩气；当真空度稳定于0.8Pa时，开启石墨电弧源，弧电流为30A、弧电压为20V；脉冲偏压调至-900V、占空比为15％，对镁合金衬底进行轰击清洗，轰击清洗时间为4min，以去除衬底表面残余氧化物和残留的杂质。

(3)完成对镁合金基片轰击清洗后，关闭氩气，通入高纯乙炔，在镁合金表面沉积非晶碳薄膜。将施加在镁合金基片的脉冲偏压调整为-100V、占空比为15％；工作压强为1Pa；沉积温度为100℃；弧电流为25A、弧电压为25V；沉积时间8min。

(4)非晶碳薄膜沉积结束后，关闭弧电源和脉冲偏压，关闭气体。待工件在真空室中冷却到室温，打开真空室取出样品。

对在镁合金上沉积的非晶碳薄膜性能测试如下：

非晶碳薄膜的摩擦系数：0.13；摩擦磨损测试条件为：载荷2N、滑动速度10cm/s、摩擦副为100Cr6钢、湿度40％、温度20-25℃、摩擦距离125m。

摩擦后非晶碳薄膜的磨痕拉曼谱线研究表明在摩擦过程中非晶碳薄膜结构稳定，没有发生变化。