CN102168269A

CN102168269A - 一种催渗等离子氮碳共渗与氮碳化钛复合膜层的制备方法

Info

Publication number: CN102168269A
Application number: CN2011100637105A
Authority: CN
Inventors: 侯惠君; 代明江; 林松盛; 韦春贝; 宋进兵
Original assignee: Guangzhou Research Institute of Non Ferrous Metals
Current assignee: Guangzhou Research Institute of Non Ferrous Metals
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2011-08-31

Abstract

一种稀土催渗等离子氮碳共渗与氮碳化钛复合膜层的制备方法。其特征是由以下步骤组成：(1)稀土催渗等离子氮碳共渗：将基材置于离子渗氮炉中，在50Pa以下，通入氮气∶氢气＝1∶1～10∶1和含有稀土金属氧化物饱和的C_1～3烷基醇溶液蒸汽的混合气体；(2)采用等离子化学气相沉积氮碳化钛膜层：用四异丙基钛(Ti[OC₃H₇]₄)为钛源，在等离子体化学气相沉积(简称PCVD)设备上进行沉积Ti(CN)涂层。本发明制备的稀土催渗等离子氮碳共渗与氮碳化钛复合膜层具有硬度高，与基体硬度差异小，高的膜/基结合力的特点。本发明的方法清洁环保，工艺简单，可以实现大面积工业化生产。

Description

一种催渗等离子氮碳共渗与氮碳化钛复合膜层的制备方法

技术领域

本发明涉及一种金属表面复合膜层的制备方法，特别涉及一种催渗等离子氮碳共渗与氮碳化钛复合膜层的制备方法。

背景技术

氮碳化钛具有较高的硬度(18～28GPa)，较低的摩擦系数(0.4～0.5)，有较强的韧性和磨损能力，被广泛应用于耐磨减摩场合和装饰品等。工具膜主要用于铣刀、冲压模具、冷锻模具、塑料模具和耐磨件等涂层。由于氮碳化钛膜层与基体(如钢、钛合金等)的结构和性能差异大，导致膜/基结合力差，直接在基体上沉积时容易发生剥落而导致膜层失效。为了降低膜层与基材的突变性，降低界面应力，提高氮碳化钛膜层与基体的结合强度，通常采用梯度过渡的结构。稀土催渗离子氮化可以在基体表面形成厚达几十至几百微米的渗氮层，获得了较高的表面硬度以及梯度硬度的基体表面层。基体材料表面硬度的提高为后继镀制氮碳化钛膜层提供了良好的支撑作用，降低氮碳化钛膜层与基体之间的硬度突变，获得连续过渡的界面结构，可以大幅度提高氮碳化钛膜层的性能和使用寿命。与氮碳化钛膜层相比，采用稀土催渗离子氮碳化与氮碳化钛膜复合的涂层性能显著提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的氮碳化钛膜层与基体硬度差异大、膜/基结合力差，提出一种稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗与氮碳化钛复合膜层的制备方法。

本发明的技术方案由以下步骤组成：

1)稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗：将基材除锈除油后置于离子渗氮炉中，压力50Pa以下，通入氮气∶氢气＝1∶1～10∶1和含有稀土金属氧化物饱和的C_1～3烷基醇溶液蒸汽的混合气体，炉压为100～1200Pa，炉温450～600℃，保温1～6小时；

2)沉积氮碳化钛膜层：①待步骤1)完成后调节炉内气氛，通入氮气∶氢气＝1∶2～10∶1，通过调节四异丙基钛(Ti[OC₃H₇]₄)的加热温度90～125℃，调节进气量；②在炉压为70～220Pa，电压为650V～1600V，沉积温度为：500～550℃，沉积时间为0.5～4h沉积氮碳化钛膜层。

所述稀土金属氧化物为氧化钇或氧化镧。

所述C_1～3烷基醇为甲醇、乙醇或异丙醇。

所述混合气体中C_1～3烷基醇溶液蒸汽占体积百分为5～22％。

经过稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗处理的钢表面可以获得更高的渗层硬度和更加平缓的硬度梯度表面，提高基体的支撑作用。同时稀土金属可以促进韧性相γ′的形成，从而增加渗层的塑韧性，提高膜层与基体的结合强度。具有良好支撑作用的基体可以发挥氮碳化钛膜层的性能优势，降低氮碳化钛膜的内应力，提高膜层稳定性。这种复合处理的方法可以大幅度提高工件的使用寿命。与未经过稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗处理而直接沉积氮碳化钛膜层相比，稀土金属氧化物催渗离子氮碳共渗与氮碳化钛复合膜层的性能显著提高，主要表现在表面硬度、膜/基结合力、耐磨性能等得到明显提高。在H13模具钢上未经过稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗而直接镀氮碳化钛膜层的膜/基结合力只有20N左右，硬度在HV_0.025，151715，经过稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗与氮碳化钛膜层处理后的膜/基结合力达到了60N以上，硬度达到了HV_0.025，152195。本发明的方法清洁环保，工艺简单，可以实现大面积工业化生产。

利用稀土催渗等离子氮碳共渗技术与氮碳化钛膜复合处理以提高氮碳化钛膜的使用性能的研究未见报道。

附图说明

图1为加入氧化钇或氧化镧以及未加入稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗的硬度梯度曲线；

图2为H13钢未加入稀土金属氧化物催渗等离子氮碳共渗的XRD谱图；

图3为H13钢经氧化钇催渗等离子氮碳共渗的XRD谱图；

图4为H13钢不同处理工艺对表面硬度的影响。PN表示等离子氮化膜层；MOPCVD金属有机钛等离子体化学气相沉积膜层；

图5为H13钢不同处理工艺横截面硬度梯度。

具体实施方式

采用H13钢，在装炉前进行除油，除锈清洗，脱水干燥。

实施例1

1)将基材置于离子渗氮炉中，在真空度达到50Pa以下，通入氮气∶氢气＝3∶1和氧化钇饱和乙醇溶液蒸汽的混合气体，氧化钇乙醇溶液蒸汽占混合气体体积含量为7％，炉压800Pa，温度540℃，保温2小时，然后随炉冷却。渗层厚度：110μm。

2)沉积氮碳化钛膜层：①完成1)后调整炉内气氛，使氮氢比为2∶1，炉压120Pa，电压为1200V粒子轰击3分钟；②待完成①后缓慢打开通入加热到105℃的四异丙基钛蒸汽阀门，调整炉压到120Pa，电压为1400V，温度为540℃，沉积2小时氮碳化钛膜层，氮碳化钛膜层厚度为3μm，膜/基结合力为60N。

实施例2

1)将工件置于离子渗氮炉中，在真空度达到50Pa以下，通入氮气∶氢气＝2∶1和氧化镧饱和甲醇溶液蒸汽的混合气体，氧化镧甲醇溶液蒸汽占混合气体体积含量为10％，炉压500Pa，温度520℃，保温2.5小时，然后随炉冷却。渗层厚度：100μm。

2)沉积氮碳化钛膜层：①完成1)后调整炉内气氛，使氮氢比为3∶1，炉压150Pa，电压为1200V粒子轰击3分钟；②待完成①后缓慢打开通入加热到100℃的四异丙基钛蒸汽阀门，调整炉压到100Pa，电压为1400V，温度540℃，沉积2小时氮碳化钛膜层，氮碳化钛膜层厚度为2.5μm，膜/基结合力为65N。

Claims

1.一种稀土催渗等离子氮碳共渗与氮碳化钛复合膜层的制备方法，其特征是由以下步骤组成：

2)沉积氮碳化钛膜层：①待步骤1)完成后调节炉内气氛，通入氮气∶氢气＝1∶2～10∶1，通过调节四异丙基钛(Ti[OC₃H₇]₄)的加热温度90～125℃，调节进气量；②在压力为70～220Pa，电压为650～1600V，电流密度为0.3～1.2mA/cm²，沉积时间为0.5～4h沉积氮碳化钛膜层。

2.根据权利要求1所述的催渗等离子氮碳共渗与氮碳化钛复合膜层的制备方法，其特征是所述稀土金属氧化物为氧化钇或氧化镧。

3.根据权利要求1所述的催渗等离子氮碳共渗与氮碳化钛复合膜层的制备方法，其特征是所述C_1～3烷基醇为甲醇、乙醇或异丙醇。

4.根据权利要求1所述的催渗等离子氮碳共渗与氮碳化钛复合膜层的制备方法，其特征是所述混合气体中C_1～3烷基醇溶液蒸汽占体积百分为5～22％。