CN101008073A - 金属材料表面处理方法及用该方法处理的工件 - Google Patents
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Abstract
一种提高金属耐腐蚀性能的表面处理方法及用该方法处理的工件，包括：(1)在真空条件下，采用载能离子轰击工件的表面以去除氧化膜；(2)在工件的表面上沉积一层易钝化的金属或合金膜；(3)在金属膜上沉积由两种或两种以上不同材料交替组成的多层膜，其中每一膜层的厚度为3－20纳米且至少有一种材料形成的膜层为等轴晶结构。本发明能有效地减少传统表面处理中由膜层表面贯串至基材的缺陷，从而达到提高材料耐腐蚀性能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属材料的表面处理方法及用该方法处理的工件，更具体而言，涉及一种可以提高材料耐腐蚀性能的表面处理方法。
背景技术
物理气相沉积(PVD)作为一种先进的材料表面改性技术被大量地应用于装饰、工具、模具等各个领域，然而在腐蚀防护领域却没有得到广泛地应用。传统的PVD方法可以沉积出氮化物、氧化物等非金属膜层，例如TiN、CrN、TiO2等。这些非金属膜层都是陶瓷相，从化学性能的角度来看，比大多数的金属具有更强的耐腐蚀能力。然而实际的情况却并非如此，PVD方法沉积时工件的温度较低(＜500℃)，多数形成非平衡态组织的柱状晶。柱状晶由于其结构的特点存在很多与其生长方向平行的缺陷，这些缺陷形成了膜层表面贯串至基材的通道。腐蚀性的溶液往往能够借助毛细力的作用穿过这些通道渗透到基材的表面，在膜层与基材的界面上首先发生腐蚀反应。腐蚀反应的进行会导致进一步的气孔的形成和扩大，最终膜层会失去基材的支持而剥离。
使用化学气相沉积(CVD)方法制备膜层的时候工件温度较高，一般高于800℃，因此膜层结构多为平衡态组织的等轴晶。与柱状晶相比，等轴晶在结构上更为致密，同时晶体没有固定的取向，因此其缺陷分布随机，不象柱状晶那样形成贯穿膜层的缺陷。专利CN1569751A中公布了一种采用中温CVD的方法，其制备的膜层具有受控细微等轴晶结构。然而CVD方法过高的工作温度会导致大多数金属工件机械性能的下降。
因此，寻找一种能在较低温度下沉积出具有等轴晶结构膜层的方法，将在保证机械性能不下降的同时很大程度地提高金属的耐腐蚀性能，具有重要的意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种PVD方法，该方法在金属表面上沉积由两种或两种以上不同材料交替组成的多层膜，每层膜厚度为3-20纳米。在PVD正常的工作温度范围内形成晶粒的直径多数在10纳米左右，而厚度为3-20纳米的膜层限制了晶粒的纵向高度。此条件下可以形成具有等轴晶特征的膜层，即膜层致密、无孔洞。因此能够避免传统PVD方法形成的柱状晶带来的贯穿膜层的缺陷，能有效地提高金属材料的耐腐蚀性能。
为了达到上述目的，依据本发明的表面处理方法包括以下的步骤：
(1)将工件装入真空室，然后烘烤真空室，同时将真空室抽至背底真空，随后通过载能离子来轰击工件的表面以去除氧化膜；
所述步骤(1)之前在工件的表面上进行脱脂、脱水、化学法或机械法去除氧化膜等工序。
所述载能离子通过离子源、射频或者微波提供。
(2)在工件的表面上沉积一层易钝化的金属或合金膜；
所述易钝化的金属或合金膜包括选自Ti、Zr、Ni、Nb、Cr和Al及其合金的一种材料。
(3)在金属膜上沉积由两种或两种以上不同材料交替组成的多层膜；
所述多层膜中每一膜层的厚度为3-20纳米。
所述多层膜中的至少一层为等轴晶结构，且所述层的材料包括一种选自碳化物、氮化物或氧化物及其组合的陶瓷材料。
附图说明
图1是经本发明的实施例1处理后的工件表面的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
实施例1：
在工件1表面上依次沉积由易钝化的金属Zr层2，Cr层3与具有等轴晶结构的CrN层4交替组成的多层膜5。
具体操作方法如下：通过将工件用丙酮超声清洗5-30分钟进行除油，经漂洗后再用浓度为0.5-2.0％的硫酸浸泡工件以去除工件表面上的氧化膜，再经自来水漂洗后用乙醇超声清洗脱水。将工件烘干后装入真空室，将真空室抽气至背底真空，并将真空室加热至200℃。
然后，打开离子源，将Ar气通入真空室，通过载能离子轰击工件5-30分钟来部分去除工件上的氧化膜。随后关闭Ar气流量，将氢气通入真空室，继续通过载能离子轰击工件5-30分钟以去除工件上的氧化膜。
接下来，关闭离子源和氢气流量，将Ar气通入真空室，并将背底真空调整至工作压强。然后，开启Zr的蒸发源，沉积Zr层至厚度为0.5微米。
最后，开启Cr的蒸发源，通过控制N2气气量，沉积Cr/CrN多层膜，其中Cr层每层厚度为10纳米，CrN层每层厚度为15纳米，Cr/CrN多层膜总厚度为2微米。
本发明提供的表面处理方法在工件的表面沉积具有等轴晶结构的多层膜，膜层结构更为致密，同时晶体没有固定的取向，缺陷分布随机，没有传统PVD方法形成的柱状晶中贯穿膜层的缺陷，此外，纳米多层膜具有优异的力学性能，能有效地抵御机械划伤，使得工件在实用环境中具有持久的耐腐蚀性能。
Claims (10)
1、一种提高金属材料耐腐蚀性能的表面处理方法，包括以下步骤：
(1)在真空条件下，采用载能离子来轰击工件的表面以去除氧化膜；
(2)在工件的表面上沉积一层易钝化的金属或合金膜；
(3)在(2)所述的金属或合金膜上沉积由两种或两种以上不同材料交替组成的多层膜。
2、根据权利要求1所述的表面处理方法，还包括在步骤(1)之前在工件的表面上进行脱脂、脱水、化学法或机械法去除氧化膜工序。
3、根据权利要求1所述的表面处理方法，其中，所述载能离子通过离子源、射频或者微波提供。
4、根据权利要求1所述的表面处理方法，其中，所述易钝化的金属或合金膜包括选自Ti、Zr、Ni、Nb、Cr和Al及其合金的一种材料。
5、根据权利要求1所述的表面处理方法，其中，所述多层膜中每一膜层的厚度为3-20纳米。
6、根据权利要求1所述的表面处理方法，其中，所述多层膜中的至少一层为等轴晶结构，且所述层的材料包括一种选自碳化物、氮化物或氧化物及其组合的陶瓷材料。
7、一种通过权利要求1的表面处理方法处理后的工件，包括：
在工件的表面上沉积的易钝化的金属或合金膜；
在所述的金属或合金膜上沉积由两种或两种以上不同材料交替组成的多层膜。
8、根据权利要求7所述的工件，其中，所述易钝化的金属或合金膜包括选自Ti、Zr、Ni、Nb、Cr和Al及其合金的一种材料。
9、根据权利要求7所述的工件，其中，所述多层膜中每一膜层的厚度为3-20纳米。
10、根据权利要求7所述的工件，其中，所述多层膜中的至少一层为等轴晶结构，且所述层的材料包括一种选自碳化物、氮化物或氧化物及其组合的陶瓷材料。
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