一種金屬表面沉積鐵+釩+鈦+氮化鈦的多層混合納米強(qiáng)化層的制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種金屬表面沉積鐵+釩+鈦+氮化鈦的多層混合納米強(qiáng)化層的制備工藝，是利用磁控濺射技術(shù)，在鐵基材料表面依次沉積納米級厚度的鐵+鐵-釩+釩+釩-鈦+鈦+鈦-氮化鈦的混合過渡層；最后再復(fù)合沉積納米級的氮化鈦強(qiáng)化層，形成結(jié)合力良好的多層混合過渡的復(fù)合強(qiáng)化層。本發(fā)明利用各種金屬原子固溶度概念，尋求無限互溶且本身強(qiáng)度較高的合金元素作為過渡層，采用磁控濺射在金屬材料基材表面沉積混合納米過渡層，最后沉積氮化鈦形成多層混合納米強(qiáng)化層，使形成的過渡層成分梯度分布平緩，殘余內(nèi)應(yīng)力較小，大大增加了膜基結(jié)合強(qiáng)度，增強(qiáng)了與基體的的結(jié)合力，可以充分發(fā)揮表面氮化鈦金屬陶瓷薄膜的耐腐蝕、耐磨損、高硬度的特點。
【專利說明】-種金屬表面沉積鐵+釩+鈦+氮化鈦的多層混合納米強(qiáng) 化層的制備工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及表面工程技術(shù)，具體是一種金屬表面沉積鐵+釩+鈦+氮化鈦的多層 混合納米強(qiáng)化層的制備工藝。

【背景技術(shù)】
[0002] 氮化鈦是金屬陶瓷，屬于硬質(zhì)薄膜涂層，它能有效提高材料表面硬度、耐磨和耐蝕 性，大幅度提高零件的使用壽命，因而廣泛被應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車工業(yè)、紡織工業(yè)、地質(zhì)鉆 探、模具工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域。目前，常用的氮化鈦薄膜主要制備技術(shù)有磁控濺射、弧光離 子鍍等，磁控濺射制備技術(shù)沉積粒子顆粒細(xì)小，薄膜致密性好，表面質(zhì)量優(yōu)異。但一般涂層 較薄，如太厚則與基體產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，呈現(xiàn)為與基體結(jié)合力差，極易剝落；弧光離子鍍技 術(shù)具有離化率高、沉積速率快和沉積離子能量高等特點，但是在離子鍍過程中，靶材會蒸發(fā) 和濺射出大顆粒物，導(dǎo)致薄膜硬度和表面質(zhì)量降低，結(jié)合力也較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有制備氮化鈦薄膜技術(shù)存在的問題，提供一種金屬表面沉 積鐵+釩+鈦+氮化鈦的多層混合納米強(qiáng)化層的制備工藝。該工藝?yán)么趴貫R射在金屬基 材和氮化鈦薄膜之間沉積納米多層混合過渡層，其中因為鐵與釩、釩與鈦之間，在固態(tài)下無 限互溶。因此在鐵+釩+鈦+氮化鈦的層與層之間，形成均勻的固溶混合多層納米結(jié)構(gòu)層， 層與層之間的成分平緩過渡，形成合理的成分梯度分布，大大降低了界面間的殘余內(nèi)應(yīng)力， 提高復(fù)合涂層的結(jié)合力，且在一定程度上增強(qiáng)了其強(qiáng)化性能。
[0004] 實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是： 一種金屬表面沉積鐵+釩+鈦+氮化鈦的多層混合納米強(qiáng)化層的制備工藝，是利用磁 控濺射技術(shù)，在鐵基材料表面依次沉積納米級厚度的混合過渡層，該層結(jié)構(gòu)為鐵+鐵-釩+ 隹凡+ fL -鈦+鈦+鈦-氮化鈦的混合過渡層；混合層鐵和銀、銀和鈦、鈦和氮化鈦之間沒有 明顯的分界線，是混合逐步形成的過渡層，因為依次沉積的原子在固態(tài)下可以無限互溶，故 其原子存在形式為固態(tài)固溶體，最后再復(fù)合沉積納米級的氮化鈦強(qiáng)化層，形成結(jié)合力良好 的多層混合過渡的復(fù)合強(qiáng)化層。具體包括如下步驟： (1) 將金屬材料基材放進(jìn)丙酮和酒精的混合液中進(jìn)行超聲波清洗，取出后烘干； (2) 將金屬材料基材固定在爐內(nèi)的工件架上，工件架公轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行自轉(zhuǎn)。關(guān)閉腔室 門，開啟真空系統(tǒng)，抽真空度達(dá)到極限值范圍時，開啟加熱系統(tǒng)，加熱至所設(shè)定的溫度； (3) 當(dāng)腔室真空抽至背底真空時，通入氬氣，開啟偏壓電源，對金屬材料基材進(jìn)行轟擊 活化清洗； (4) 清洗結(jié)束后停止通氣體，關(guān)閉偏壓，繼續(xù)抽真空，抽至背底真空時，通入氬氣至所需 工作氣壓，開啟偏壓電源； (5) 開啟純鐵磁控靶的電源，首先沉積一層納米級純鐵層； (6) 關(guān)閉逐步關(guān)閉純鐵磁控靶的電源，開啟純釩磁控靶的電源，在已沉積有純鐵納米級 薄膜上混合沉積一層納米級釩，此時形成的沉積層是：純鐵+鐵-釩+釩的混合層； (7) 此時逐步關(guān)閉純釩磁控把電源，開啟純鈦磁控把電源，逐步形成純鐵+鐵-釩+釩 +釩-鈦的混合層； (8) 最后僅僅保持鈦磁控祀開啟，通入氮氣，調(diào)整氦氮流量比，在純鐵+鐵-f凡+ f凡+ 釩-鈦+鈦混合納米過渡層上沉積氮化鈦； (9) 沉積結(jié)束后在真空中隨爐冷卻至60°C以下，取出工件即可。
[0005] 步驟（1)中所述金屬材料基材可以為鋼鐵材料、有色金屬和鑄鐵； 步驟（3)中所述的轟擊活化清洗金屬材料基材表面的工藝參數(shù)為：極限真空度3X ΚΓ4 Pa?1 X l(T3Pa，工作氣壓(λ 1 Pa?10Pa，負(fù)偏壓-400V?-800V，清理溫度5(T500°C，清理 時間 10 min ?30min ; 步驟（4)中所述的極限真空度3X10_4 Pa ?lX10_3Pa，工作氣壓0. 4 Pa?0. 8Pa，負(fù)偏 壓-50V?-500V ; 步驟（5)，（6)，（7)，（8)中所述的沉積層厚度在50 nm?100nm。
[0006] 步驟（8)中所述的氬氮流量比在1:1-4。
[0007] 本發(fā)明的創(chuàng)新點是：利用各種金屬原子固溶度概念，尋求無限互溶且本身強(qiáng)度較 高的合金元素作為過渡層，采用磁控濺射在金屬材料基材表面沉積純鐵+鐵-釩+釩+ 釩-鈦+鈦混合納米過渡層，最后沉積氮化鈦形成多層混合納米強(qiáng)化層，此工藝技術(shù)形成的 過渡層成分梯度分布平緩，殘余內(nèi)應(yīng)力較小，大大增加了膜基結(jié)合強(qiáng)度，最表面的氮化鈦層 通過過渡層的結(jié)合強(qiáng)化作用，增強(qiáng)了與基體的的結(jié)合力，可以充分發(fā)揮表面氮化鈦金屬陶 瓷薄膜的耐腐蝕、耐磨損、高硬度的特點。

【具體實施方式】
[0008] 以下通過具體的實例來進(jìn)一步說明本發(fā)明 經(jīng)過淬火的T10鋼作為試樣，在酒精和丙酮的混合液中進(jìn)行超聲波清洗半小時以上。
[0009] 將清洗后的試樣烘干，懸掛在工裝卡具上，置于真空室的轉(zhuǎn)架上，工件架公轉(zhuǎn)的同 時自轉(zhuǎn)。裝好試樣后，用無水酒精擦拭密封圈，確保其上面沒有雜質(zhì)，關(guān)閉腔室門。
[0010] 開啟真空系統(tǒng)，抽至8Xl(T4Pa時開啟加熱系統(tǒng)，加熱至200°C，再抽真空度抽至 Pa ;通入氬氣至5Pa，用-700V偏壓清洗試樣15min ;清洗后，關(guān)閉偏壓，抽真空至Pa，保持試 樣溫度為200°C，通入氬氣并調(diào)整工作氣壓為0. 5Pa，開啟純鐵靶電源，此處電源選用磁控 濺射直流電源，直流電流為3A，偏壓為-200V，先沉積10分鐘純鐵，之后逐步開啟純釩磁控 靶至20分鐘，此時前10分鐘是單純?yōu)R射沉積純鐵，在后10分鐘是鐵和釩同時濺射，不同之 處是鐵逐步減少濺射，釩逐步增加濺射；20分鐘后，關(guān)閉鐵磁控濺射靶，逐步減少釩濺射量 至30分鐘，此時逐步開啟鈦磁控靶，至40分鐘，此時已經(jīng)形成鐵+鐵-釩+釩+釩-鈦+ 鈦的混合沉積過渡層。
[0011] 最后在僅開啟鈦磁控靶且在已經(jīng)形成的鐵+鐵-釩+釩+釩-鈦+鈦混合沉積層 上反應(yīng)復(fù)合沉積氮化鈦層。該工藝為：通入氬氣和氮氣，并使氬氮流量比為1:4,工作氣壓 0. 5Pa，直流電流為3A，偏壓為-200V，沉積時間為30min。
[0012] 沉積結(jié)束后，在真空中隨爐冷卻至60°C以下，取出工件。此時工件表面已沉積上鐵 +鐵-釩+釩+釩-鈦+鈦+氮化鈦的多層混合納米強(qiáng)化層。
【權(quán)利要求】
1. 一種金屬表面沉積鐵+釩+鈦+氮化鈦的多層混合納米強(qiáng)化層的制備工藝，其特征 是：包括如下步驟： (1) 將金屬材料基材放進(jìn)丙酮和酒精的混合液中進(jìn)行超聲波清洗，取出后烘干； (2) 將金屬材料基材固定在爐內(nèi)的工件架上，工件架公轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行自轉(zhuǎn)； 關(guān)閉腔室門，開啟真空系統(tǒng)，抽真空度達(dá)到極限值范圍時，開啟加熱系統(tǒng)，加熱至所設(shè) 定的溫度； (3) 當(dāng)腔室真空抽至背底真空時，通入氬氣，開啟偏壓電源，對金屬材料基材進(jìn)行轟擊 活化清洗； (4) 清洗結(jié)束后停止通氣體，關(guān)閉偏壓，繼續(xù)抽真空，抽至背底真空時，通入氬氣至所需 工作氣壓，開啟偏壓電源； (5) 開啟純鐵磁控靶的電源，首先沉積一層納米級純鐵層； (6) 關(guān)閉逐步關(guān)閉純鐵磁控靶的電源，開啟純釩磁控靶的電源，在已沉積有純鐵納米級 薄膜上混合沉積一層納米級釩，此時形成的沉積層是：純鐵+鐵-釩+釩的混合層； (7) 此時逐步關(guān)閉純釩磁控把電源，開啟純鈦磁控把電源，逐步形成純鐵+鐵-釩+釩 +釩-鈦的混合層； (8) 最后僅僅保持鈦磁控祀開啟，通入氮氣，調(diào)整氦氮流量比，在純鐵+鐵-f凡+ f凡+ 釩-鈦+鈦混合納米過渡層上沉積氮化鈦； (9) 沉積結(jié)束后在真空中隨爐冷卻至60°C以下，取出工件即可。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征是：步驟（1)中所述金屬材料基材為鋼鐵材 料、有色金屬和鑄鐵。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征是：步驟（3)中所述的轟擊活化清洗金屬材 料基材表面的工藝參數(shù)為：極限真空度3X10_ 4 Pa ?lX10_3Pa，工作氣壓0. 1 Pa?lOPa， 負(fù)偏壓-400V?-800V，清理溫度5(T500°C，清理時間10 min?30min。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征是：步驟（4)中所述的極限真空度3ΧΚΓ4 Pa ?lXl(T3Pa，工作氣壓 0.4 Pa ?0.8Pa，負(fù)偏壓-50V?-500V。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征是：步驟（5)，（6)，（7)，（8)中所述的沉積 層厚度在50 nm?100nm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備工藝，其特征是：步驟（8)中所述的氬氮流量比在 1:1-4。
【文檔編號】C23C14/06GK104141110SQ201410349439
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】高原, 王成磊, 韋文竹, 陸小會, 張光耀 申請人:桂林電子科技大學(xué)