一種硼碳氮化鈦(Ti(B,C,N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法
【專利摘要】一種硼碳氮化鈦陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法，克服現(xiàn)有制備薄膜材料的方法成本高，設(shè)備復(fù)雜和薄膜質(zhì)量難控制等缺點(diǎn)。具體步驟是：一、準(zhǔn)備基體材料。二、配制由硼鐵、碳化硼、木炭、氟硼酸鉀、碳化硅組成的鍍膜劑；三，裝盒，固體鍍膜劑鋪底，把鈦礦粉放在中間，把待鍍膜的基體材料置于鈦礦粉末中，鈦礦粉四周及上面充填固體鍍膜劑，四，加熱鍍膜；五、出料；本發(fā)明的技術(shù)效果是：節(jié)省了現(xiàn)有鍍膜方法使用的反應(yīng)罐、供電系統(tǒng)和氣體控制系統(tǒng)，直接用固體鍍膜劑產(chǎn)生B、C和N活性原子和Ti發(fā)生反應(yīng)生成硼碳氮化鈦薄膜。薄膜的熔點(diǎn)在3000℃以上。具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，室溫電導(dǎo)率為~10-7Ωm，硬度高，其數(shù)值在18-40GPa之間，在硫酸、鹽酸和硝酸中不腐蝕。
【專利說明】—種硼碳氮化鈦(Ti (B, C1 N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于冶金領(lǐng)域、具體涉及一種在基體表面鍍覆陶瓷薄膜的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]以金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物或金屬間化合物等無機(jī)化合物為原料，在基體材料表面制備成的薄膜統(tǒng)稱為陶瓷薄膜。薄膜的厚度一般為0.01 μ m至數(shù)微米。
[0003]按照使用功能可以把陶瓷薄膜分為光學(xué)薄膜、電學(xué)薄膜和機(jī)械薄膜等。光學(xué)薄膜和電學(xué)薄膜主要用于制作電子和光學(xué)器件，機(jī)械薄膜通常涂鍍?cè)诠ぞ?、磨具和機(jī)械零件的表面，具有高硬度、高耐腐蝕性和好的抗氧化能力強(qiáng)。常見的機(jī)械陶瓷薄膜材料有TiC、TiN和TiCN等。TiC薄膜硬度高、TiN薄膜韌性好些。Ti(C，N)是在TiN中固溶了 C元素形成的一種三元化合物。而Ti (B, N)是一種含有B元素的TiN，保持著原來的面心立方結(jié)構(gòu)，但其性能得到了明顯優(yōu)化。Ti (B，C，N)可以看作是在Ti (C，N)中添加了 B元素形成的四元化合物，比Ti (C，N)具有更好的性能，尤其是在自潤滑性方面。
[0004]應(yīng)用于制備Ti (B, C，N)薄膜的現(xiàn)有方法有:
[0005]1、真空蒸鍍工藝:此方法使用較早，工藝簡(jiǎn)單。其基本原理是通過蒸發(fā)將原料加熱或升華，使氣相原子或分子穿過真空空間。蒸鍍熱源有電阻加熱蒸發(fā)和電子束轟擊蒸發(fā)等。由于每次加熱時(shí)間很短，陶瓷靶料還未分解就以分子或分子團(tuán)的形式蒸發(fā)在襯底上，通常能得到和靶材成分一致的薄膜。但是，設(shè)備較昂貴。
[0006]2、陰極電弧離子鍍:陰極電弧離子鍍方法具有成膜速度快、膜層致密、膜基結(jié)合力強(qiáng)、靶材直接被電弧氣化而無熔池、離化率高和施鍍空間內(nèi)等離子體均勻等特點(diǎn)，較廣泛地應(yīng)用于工具模和刀具表面TiN和TiC硬質(zhì)膜的制備及各種金屬非金屬表面仿金彩色裝飾膜的制備。缺點(diǎn)是設(shè)備比較復(fù)雜，工藝不好控制。
[0007]3、磁控濺射:磁控濺射具有成膜致密、均勻，不會(huì)造成液滴噴濺等優(yōu)點(diǎn)。然而，傳統(tǒng)磁控濺射存在成膜速度慢、靶材利用率低的問題；此外，陰極的磁場(chǎng)將等離子體緊密地約束在靶面附近，而工件附近的等離子體很弱。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是提供一種硼碳氮化鈦(Ti (B, C，N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法，克服現(xiàn)有制備Ti (B, C，N)薄膜材料的方法成本高，設(shè)備復(fù)雜和薄膜質(zhì)量難控制等缺點(diǎn)。
[0009]本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0010]具體步驟如下:
[0011]步驟一，準(zhǔn)備基體材料
[0012]這里所指的基體材料是鋼鐵材料、陶瓷材料、半導(dǎo)體材料和石英等；
[0013]步驟二，配制固體鍍膜劑
[0014]固體鍍膜劑的配方是:5?15%硼鐵(B-Fe)、2?8%碳化硼(BC4)、5?10%木炭、2?6%氟硼酸鉀(KBF4)、其余為碳化硅(SiC)(均為重量百分?jǐn)?shù));
[0015]步驟三，裝盒
[0016]準(zhǔn)備好料盒，先用按步驟二把配制好的固體鍍膜劑鋪底，把鈦礦粉放在中間，把待鍍膜的基體材料置于鈦礦粉末中，鈦礦粉四周及上面充填固體鍍膜劑，用蓋子把料盒蓋上。其中，鈦礦粉的含鈦量大于10at%，每鍍覆I平方厘米薄膜所需要的鈦礦粉和鍍膜劑的匹配使用量分別是20?40克和300?800克
[0017]步驟四，鍍膜
[0018]把裝好的料盒放在電阻爐內(nèi)加熱，，加熱溫度為660?1200°C，時(shí)間為I?6小時(shí)；
[0019]步驟五，出料
[0020]將料盒從爐內(nèi)取出，待料盒充分冷卻后，把鍍膜的材料取出，便在基體材料表面獲得了具有面心立方結(jié)構(gòu)的Ti (B，C，N)陶瓷薄膜。
[0021]加熱時(shí)也可以向電阻爐內(nèi)通入保護(hù)氣氛，保護(hù)氣氛是液態(tài)氨的分解產(chǎn)物。裝盒時(shí)可以用鈦粉末替代鈦礦粉。使用鈦粉末時(shí)所需要的鈦粉量減少，每鍍覆I平方厘米薄膜需要的鈦粉量是10?20克。
[0022]在660°C以上溫度，固體鍍膜劑同時(shí)產(chǎn)生活性[B]和[C]原子；同時(shí)，保護(hù)氣氛或空氣產(chǎn)生活性[N]原子，這三種活性原子和Ti發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成化合物，在基體材料表面實(shí)現(xiàn)鍍膜。
[0023]本發(fā)明的技術(shù)效果:
[0024]本發(fā)明制備的陶瓷薄膜不同于現(xiàn)有Ti (B, C，N)薄膜材料，它是一種TiN基陶瓷薄膜材料，仍然具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)，但是其中N元素的成分比例在30at%左右(原子百分?jǐn)?shù))，占主導(dǎo)地位(除Ti以外)。其中B元素的成分僅占0.2-10at%。Ti (B，C，N)薄膜的化學(xué)式可以表示成TiBx，Cy, Nz，其中x、y和z分別代表B、C和N元素的化學(xué)組分。用本申請(qǐng)書提出的固體鍍膜法制備的薄膜的成分范圍在40-70&丨％之間；氮組分次之，范圍為20-40at% ;硼的組分遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氮的組分，在0.2-10at%范圍。碳的組分和硼的組分相當(dāng)。
[0025]制成的薄膜材料的結(jié)構(gòu)特征是，它具有氯化鈉型面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，其中鈦原子占據(jù)與鈉原子相當(dāng)?shù)奈恢?，B、C和N元素占據(jù)與氯原子相當(dāng)?shù)奈恢?。Ti(B，C，N)薄膜顏色呈紫銅色，室溫為固體狀態(tài)，熔點(diǎn)在3000°C以上。具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，室溫電導(dǎo)率為?1-7Qm0硬度高，其數(shù)值在18-40GPa之間。在硫酸、鹽酸和硝酸中不腐蝕。
[0026]本發(fā)明方法的創(chuàng)新性體現(xiàn)在:節(jié)省了現(xiàn)有鍍膜方法必須使用的反應(yīng)罐、供電系統(tǒng)和氣體控制系統(tǒng)，直接使用固體鍍膜劑產(chǎn)生B、C和N活性原子，和Ti發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在基體材料表面生成Ti (B, C，N)薄膜材料。
[0027]本方法可以在不同材料鍍膜，圖1是在不銹鋼表面涂鍍的薄膜材料的掃描電鏡(SEM)照片，薄膜有納米顆粒組成，厚度在幾個(gè)微米，和基體結(jié)合很好。圖2是在不銹鋼表面薄膜的X-射線圖，結(jié)構(gòu)符合面心立方結(jié)構(gòu)。圖3是在石英表面薄膜的SEM照片。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1Ti (B, C，N)不銹鋼表面薄膜SEM照片。
[0029]圖2Ti (B, C，N)不銹鋼表面薄膜的X-射線圖，符合面心立方結(jié)構(gòu)。
[0030]圖3Ti (B，C，N)石英表面薄膜SEM照片。

【具體實(shí)施方式】
[0031]實(shí)施例一:
[0032]1、以316不銹鋼絲網(wǎng)為基體，絲網(wǎng)孔徑為300目、絲的直徑為25微米；
[0033]2、配制固體鍍膜劑
[0034]稱量10公斤B-Fe (硼鐵);5公斤BC4 ；5公斤木炭；5KBF4和75公斤SiC0它們均為粉末狀，顆粒度在200目以上。把這些粉末在混料機(jī)內(nèi)混合24小時(shí)。無任何添加劑?；旌虾髠溆茫?br> [0035]3、準(zhǔn)備 Ti 粉
[0036]Ti粉為市場(chǎng)銷售的Ti粉，粒度為200目或其它規(guī)格，純度95%。
[0037]4、裝盒
[0038]把Ti粉末裝入料盒，把待鍍膜材料置于Ti粉末中。用固體鍍膜劑充填、包圍Ti粉末及基體材料。
[0039]5、鍍膜
[0040]把裝有Ti粉末及基體材料的料盒放置在封閉的電阻爐內(nèi)加熱，通入分解氨保護(hù)氣氛，氣體成分為30% N2+70% H2,氣體流速為2?4cm/s，加熱溫度是700°C，保溫時(shí)間是2小時(shí)。
[0041]6、出料
[0042]把基體材料從料盒中取出，便能見到不銹鋼絲網(wǎng)表面上的紫色薄膜。
[0043]實(shí)施例二:
[0044]1、準(zhǔn)備基體材料
[0045]基體材料是石英板，厚度為2mm,面積尺寸為50mmx50mm配制固體鍍膜劑
[0046]2、稱量10公斤B-Fe (硼鐵)；4公斤BC4 ；6公斤木炭；5KBF4和75公斤SiC0它們均為粉末狀，顆粒度在200目。把這些粉末在混料機(jī)內(nèi)混合24小時(shí)。無任何添加劑。混合后備用。
[0047]3、準(zhǔn)備Ti礦粉
[0048]使用鈦礦粉，其中Ti含量為30%，顆粒度為200目。
[0049]4、裝盒
[0050]把Ti礦粉末裝入料盒，把待鍍膜陶瓷板置于Ti礦粉中。用固體鍍膜劑充填、包圍Ti礦粉及石英基體材料。
[0051]5、鍍膜
[0052]把裝有Ti礦粉及石英基體材料的料盒放置在電阻爐內(nèi)加熱，在空氣中加熱，加熱溫度是1000°c，保溫時(shí)間是2小時(shí)。
[0053]6、出料
[0054]把基體材料從料盒中取出，便能見到基體表面上的紫色薄膜，如圖3所示。薄膜具有優(yōu)良的導(dǎo)電性，室溫電導(dǎo)率為?10_7Ωπι。硬度數(shù)值在18?40GPa之間。和硫酸、鹽酸和硝酸不發(fā)生反應(yīng)。
【權(quán)利要求】
1.一種硼碳氮化鈦(Ti (B，C，N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法，其特征在于，有如下具體步驟: 步驟一、準(zhǔn)備需鍍膜的基體材料； 步驟二、配制固體鍍膜劑 固體鍍膜劑使用的原料及所用原料的重量百分比為:5?15%硼鐵(B-Fe)、2?8%碳化硼(BC4)、5?10%木炭、2?6%氟硼酸鉀(KBF4)、其余為碳化硅(SiC)，將前述原料粉碎成細(xì)粉、混合均勻，即完成固體鍍膜劑的制備； 步驟三、裝盒 選容積相應(yīng)的料盒，先用步驟二配制好的固體鍍膜劑鋪底，把鈦礦粉放在料盒內(nèi)的中間位置，把待鍍膜的基體材料置于鈦礦粉末中，鈦礦粉四周及上面充填步驟二所配制的固體鍍膜劑，蓋上盒蓋，其中，鈦礦粉的含鈦量大于10at%，每鍍覆I平方厘米薄膜所需要的鈦礦粉和鍍膜劑的匹配使用量分別是20?40克和300?800克； 步驟四、鍍覆 把完成步驟三的料盒放在電阻爐內(nèi)加熱，加熱溫度為660?1200C，時(shí)間為I?6小時(shí)； 步驟五、出料 將料盒從完成步驟四的加熱爐內(nèi)取出，待料盒充分冷卻后，取出基體，在基體材料表面得具有面心立方結(jié)構(gòu)的硼碳氮化鈦(Ti (B，C，N))陶瓷薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼碳氮化鈦(Ti(B，C，N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法，其特征是:在步驟(4)的鍍膜過程中，加熱爐內(nèi)充入氨，分解的氣體用于形成氮保護(hù)氣氛。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硼碳氮化鈦(Ti(B，C，N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法，其特征是:用鈦粉替換鈦礦粉，鈦粉的純度為95?99%，每鍍覆I平方厘米薄膜所需要的鈦粉和鍍膜劑的匹配使用量分別是10?20克和300?800克。
【文檔編號(hào)】C23C24/08GK104233280SQ201410432545
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2014年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月28日
【發(fā)明者】胡建東, 孟繁有, 孔凡, 王耀民 申請(qǐng)人:長春東基材料科技有限公司