一種耐磨耐腐蝕不銹鋼色裝飾防護(hù)用涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種不銹鋼色圖層，特別是涉及一種耐磨耐腐蝕不銹鋼色裝飾防護(hù)用涂層及其制備方法；是在金屬材料表面制備高耐磨和高耐蝕的不銹鋼色裝飾防護(hù)用陶瓷涂層，屬于真空物理氣相沉積(PVD)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]因為良好的加工性能，金屬材料制品在運(yùn)動器材和鐘表等行業(yè)廣泛應(yīng)用。但許多金屬材料，如鎂、鋁合金等輕金屬材料耐蝕性差、耐磨性不足；304不銹鋼、316等各種牌號不銹鋼雖然具有公認(rèn)的優(yōu)良耐蝕性能，但耐磨性依然不能滿足需求。急需一種具有優(yōu)異耐磨、耐蝕性能的不銹鋼色涂層涂覆在各種較軟金屬材料表面，起到裝飾和防護(hù)的作用，從而擴(kuò)大這些行業(yè)領(lǐng)域的選材范圍。
[0003]物理氣相沉積技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于裝飾涂層和機(jī)械加工工模具領(lǐng)域。裝飾涂層的基體通常采用鋁、不銹鋼、銅等軟質(zhì)材料(一般指-洛氏硬度低于HRC50的金屬材料為軟質(zhì)材料)，追求涂層亮麗外觀，通常涂層較薄(小于1.5微米)，涂層的耐磨和耐蝕能力仍有待提高。工模具領(lǐng)域基體材料通常采用高硬度工具鋼、硬質(zhì)合金等，硬質(zhì)涂層通常超過2微米，雖然耐磨性優(yōu)異，但通常涂層外觀不能達(dá)到裝飾要求的光亮度，這些已經(jīng)成為業(yè)界的共識。
[0004]現(xiàn)有技術(shù)雖然涉及到裝飾用PVD涂層，如中國發(fā)明專利申請CN101979703A(采用氮化鋁鈦復(fù)合涂層表面處理高爾夫球頭的方法)、CN102031483A (碳氮鈦鉻復(fù)合涂層表面處理高爾夫球頭的方法)，但這些處理方法存在一個共同的問題，軟質(zhì)的金屬基體材料(包括鋁合金、鎂合金、不銹鋼，甚至鈦合金等)自身硬度遠(yuǎn)小于洛氏硬度HRC50，在這些軟質(zhì)材料基礎(chǔ)上難以制備具有高結(jié)合力的硬質(zhì)涂層，因此在比較苛刻的使用條件下，涂層容易從基體上剝離，從而難以發(fā)揮硬質(zhì)涂層的防護(hù)作用，也失去了應(yīng)有的裝飾作用。現(xiàn)有技術(shù)中，制備特殊的不銹鋼色涂層的技術(shù)未見相關(guān)報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有裝飾涂層領(lǐng)域普遍出現(xiàn)的上述技術(shù)難題，提供一種在軟質(zhì)基體材料上制備高結(jié)合力的耐磨耐腐蝕不銹鋼色裝飾防護(hù)用涂層的方法。
[0006]本發(fā)明另一目的在于提供上述方法制備的耐磨耐腐蝕不銹鋼色裝飾防護(hù)用涂層。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0008]一種耐磨耐腐蝕不銹鋼色裝飾防護(hù)用涂層的制備方法，包括如下步驟:
[0009]I)基體表面預(yù)處理:將待處理的工件清洗，獲得清潔表面，然后將工件通過無油壓縮空氣吹干待用；
[0010]2)硬化層制備:表面預(yù)處理后的基體通過PVD隨爐離子氮化處理或爐外化學(xué)鍍N1-W-P三元合金涂層獲得表面硬度超過HV600，厚度為5 - 10微米的硬化層；
[0011]3)金屬過渡層制備:獲得硬化層的基體采用空心陰極槍作為離子源，在真空室內(nèi)通入氬氣，維持爐內(nèi)真空壓力為0.1-0.3Pa，啟動爐內(nèi)刻蝕模式，輔助陽極和陰極鉭管組成回路系統(tǒng)，施加120 - 150A直流電流，在待鍍工件上施加脈沖偏壓300 - 500V，刻蝕時間20 - 40分鐘后，關(guān)閉離子源；爐內(nèi)表面刻蝕活化完成后，采用高離化率的蒸鍍技術(shù)涂制0.1 - 0.3微米厚的金屬過渡層；
[0012]4) [CrN - (Cr，X)NQ]n層制備:采用物理氣相沉積技術(shù)涂制多層復(fù)合的不銹鋼色陶瓷涂層，制備的不銹鋼色涂層結(jié)構(gòu)為[CrN - (Cr，X)NQ]n，其中X代表Al，Ti，Si，Zr，Nb中的一種或多種復(fù)合添加，Q代表C、0或C與O的復(fù)合；n為重復(fù)的周期，至少包含3個周期；復(fù)合涂層由成分不同的兩層周期性重復(fù)組成；在第一個周期中，靠近基體一側(cè)的層成分為CrN，通入真空室的反應(yīng)氣體為氮氣；控制(Cr，X)NQ中金屬/非金屬的燕子比例為1，其中Cr的原子含量占所有金屬含量的80 -100%;氮原子含量占非金屬兀素含量的90%，氧和碳占 10% ;總的[CrN - (Cr，X)NQ]n層的厚度為 1-1.5 微米；所述[CrN - (Cr，X)NQ] M La*b*值與拋光不銹鋼的色度值一致，不銹鋼色涂層的色度控制在L = 81±2，a* = 0.4±l，b* =2±10
[0013]為進(jìn)一步實現(xiàn)本發(fā)明目的，優(yōu)選地，步驟2)硬化層制備中，對于基體為不銹鋼、鋁合金和鈦合金，采用PVD隨爐離子氮化處理，將清洗干凈的基體置入真空室工件架，爐內(nèi)通入Ar和N2，氮氣流速:氬氣流速=2:1 ;控制真空室壓力為0.5 - 10Pa，接通偏壓600 -1000V，爐內(nèi)產(chǎn)生氣體輝光放電現(xiàn)象，然后啟動離子源，采用空心陰極槍作為離子源，離子源為輔助陽極；采用鉭管作為陰極；施加120A電流，氮化處理30分鐘-1個小時后關(guān)閉偏壓電源、離子源和通入的氣體；氮化層厚度為5 - 10微米，表面顯微硬度超過HV800。
[0014]優(yōu)選地，步驟2)硬化層制備中，對于基體為鎂合金、銅及銅合金，采用爐外化學(xué)鍍N1-W-P三元合金涂層，鍍液成分采用硫酸鎳20 - 30g/L、磷酸二氫鈉10 - 20g/L、鎢酸鈉5 - 15g/L、檸檬酸鈉30 - 40g/L，在40 - 50°C條件下浸泡30 - 60分鐘，獲得化學(xué)鍍層厚度5 -10微米；化學(xué)處理后在真空熱處理爐內(nèi)200 -300°C處理1-2小時，表面硬度超過HV600。
[0015]優(yōu)選地，所述高離化率的蒸鍍技術(shù)是采用空心陰極蒸鍍；真空室內(nèi)通入氬氣，并維持真空壓力為0.2 - 0.5Pa，開動真空陰極槍的鍍膜模式，將陰極鉭管和坩禍陽極連成電路回路系統(tǒng)，施加150 -200A的直流電流，并聚焦等離子體束斑尺寸，蒸發(fā)坩禍內(nèi)放置的金屬，蒸發(fā)的金屬與空心陰極的等離子體相互作用；放置的金屬為純鈦、純鉻、純鋯、TiAl合金或CrAl合金；通過脈沖偏壓對工件施加150 -300V的偏壓，在偏壓作用下，金屬離子高能轟擊工件表面，并沉積為金屬過渡層；在工件表面獲得0.1 - 0.3微米厚的金屬過渡層后關(guān)閉蒸鍍系統(tǒng)。
[0016]優(yōu)選地，所述物理氣相沉積技術(shù)包括濺射技術(shù)、離子蒸鍍技術(shù)或多弧離子鍍技術(shù)。
[0017]優(yōu)選地，所述多弧離子鍍技術(shù)的PVD真空鍍膜爐內(nèi)有5 -6金屬靶位，其中4個純Cr靶，另外1- 2個金屬靶為T1、TiS1、CrAl、TiAl、Zr和Nb中的一種或兩種；金屬靶到工件表面的距離200mm ;通入工作氣體氬氣50sccm，開動其中4 -6個革E，革E電流均設(shè)置為60 -80A，通入反應(yīng)氣體，控制真空室壓力為0.3 - 0.6Pa ;沉積速率為1-1.4微米/小時，在工件表面施加偏壓，在整個制備過程中，偏壓由100V降低到50V，平均降低速率為50V/涂制時間；所述反應(yīng)氣體為氮氣、甲烷或氧氣。
[0018]優(yōu)選地，所述清洗包括依次進(jìn)行的除油、漂洗、超聲清洗、漂洗、酸性溶液清洗、堿性溶液中和、漂洗、去離子水漂洗、防腐劑漂洗。
[0019]優(yōu)選地，所述[CrN - (Cr，X) NQ]n層的硬度超過HV1800。
[0020]一種耐磨耐腐蝕不銹鋼色裝飾防護(hù)用涂層，由上述制備方法制得。在基體上依次由硬化層、金屬過渡層和[CrN- (Cr，X)NQ]n層組成，硬化層、金屬過渡層和[CrN- (Cr，X)NQ]n層緊密連接，硬化層的厚度為5 -10微米，金屬過渡層的0.1 - 0.3微米，[CrN - (Cr，X)NQ]n層的厚度為1- 1.5微米。
[0021]本發(fā)明色度是國際標(biāo)示方法，其中亮度L = O-100，L = O時絕對黑(黑洞)，L =100最亮；紅-黃色a* = - 50?+50，a*越正，紅色月突出；綠-藍(lán)色b* = - 50?+50，b*越負(fù)，藍(lán)色越突出。
[0022]本發(fā)明是一種表面強(qiáng)化同PVD沉積涂層的復(fù)合技術(shù)。為提高軟質(zhì)材料對PVD硬質(zhì)涂層的支撐能力，即膜基附著力，本發(fā)明首先對軟質(zhì)材料表面進(jìn)行強(qiáng)化預(yù)處理:針對鋁、鈦、鐵基材料，采用PVD裝備在制備PVD硬質(zhì)涂層前作離子氮化處理，使得軟質(zhì)材料的表面硬度超過維氏硬度HV800 ;對于鋁、鎂、銅等軟質(zhì)材料