CN103388122A - 一种不锈钢表面TiO2渗镀层的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种不锈钢表面TiO₂渗镀层的制备方法，属于不锈钢防护涂层技术领域。特征是利用阴极电弧离子镀技术在不锈钢工件上采取先渗后镀的方法沉积纯钛膜层，然后利用微弧氧化技术将不锈钢工件上沉积的纯钛膜层氧化成二氧化钛膜层,优点是制备的二氧化钛膜层与基体附着牢固，不易脱落，表面平整，膜层为锐钛矿和金红石的混晶结构，光催化性能优于单一的锐钛矿和金红石二氧化钛光催化剂。晶粒平均尺寸为20nm，具有量子效应，和较好的催化活性。此外,膜层表面呈现多孔结构，有利于提高光催化效率。

Description

一种不锈钢表面TiO2渗镀层的制备方法

技术领域

本发明属于不锈钢防护涂层技术领域，具体涉及一种不锈钢表面TiO₂渗镀层的制备方法。

背景技术

人类进入21世纪以后，环境污染的控制和治理是人类社会面临和必须解决的重大课题。而纳米技术的飞速发展，为纳米光催化技术的应用提供了良好的机遇。在众多半导体催化中，TiO₂具有染料特性、催化活性高、氧化能力强、稳定性高、及光稳定性等特性，成为最常用的一种半导体催化材料。作为半导体光催化剂，纳米TiO₂可以利用部分太阳光能，使光催化反应在常温常压下进行，具有降解水中污染物、净化空气、杀菌和超亲水性等方面性能，并且反应速度快、对污染物治理彻底、没有二次污染等特点，十分符合环境治理中高效率低消耗的要求。但是粉末状纳米TiO₂ 光催化剂存在易失活、易凝聚、难于分离回收等缺点, 给实用化及工业化带来一定的困难。克服这一障碍的有效途径是制备负载型TiO₂ 光催化剂。不锈钢易于二次成型, 且具有耐酸碱、强度高、寿命长、适用范围广、价格适中等特点, 作为新的载体已引起研究人员的关注。因此，研究在不锈钢基体上沉积TiO₂薄膜，对我国的环境污染和治理的有着非常重要的意义。

纳米二氧化钛薄膜既具有固定的催化剂的优点，又由于其尺寸细化而具有纳米材料的量子尺寸效应，因而能具有很好的理论研究和实际应用价值。目前制备的二氧化钛主要以锐钛矿型为主，但有研究表明锐钛矿和金红石的混晶结构的二氧化钛光催化剂的活性要优于单一的锐钛矿和金红石型光催化剂。

此外，微弧氧化技术是我国当前的一项新兴材料表面陶瓷化技术，通过对工艺过程进行控制，可以使生成的陶瓷薄膜具有优异的耐磨和耐蚀性能，较高的硬度和绝缘电阻。与其他同类技术相比，膜层的综合性能有较大提高，且工艺简单，易操作，处理效率高。

发明内容

本发明的目的是提供一种不锈钢表面TiO₂渗镀层的制备方法，可使不锈钢渗镀层具有良好的光催化功能。

本发明是这样实施的，其特征在于实施步骤如下：

1、将经过研磨、抛光和超声波清洗后的不锈钢件置入多弧离子渗镀设备的真空室中, 真空室尺寸为800mm×900mm，设定不锈钢件与纯钛阴极靶之间相距140mm-160mm，将真空室抽真空至4.0×10^-3 - 5×10^-3 Pa，往真空室充入纯氩气至真空度为0.4-0.6Pa，逐渐对不锈钢加电压至600-800 V，再对不锈钢溅射清洗15-20分钟;

2、减少纯氩气流量，降真空度至2.0×10^-2 - 3.0×10^-2Pa, →点燃阴极电弧靶，调节靶电压为20-22V, 弧电流为55-65A , →逐渐提高偏压至800-1000V，维持40-60秒, →降低偏压至600-800V，完成对纯钛阴极靶材的溅射清洗;

3、调节真空室内真空度至工作气压0.4-0.6Pa，弧电流为55-65A，不锈钢件电压为1000-1100V，控制不锈钢件温度为900-950℃，对不锈钢件渗镀4-6min, →调节不锈钢工件电压为700-800V，不锈钢件温度下降为750-800℃，维持4-6min, →调节不锈钢件电压为400-500V，不锈钢件温度下降为600-650℃，保持4-6min, →调节不锈钢电压为200-300V，不锈钢件温度下降为300-350℃，渗镀15-20min，完成纯钛渗镀层的制备;

4、对渗镀钛后的不锈钢工件进行微弧氧化形成二氧化钛膜层:

微弧氧化使用的容器为双层不锈钢容器，外层容器尺寸为20mmⅹ15mmⅹ20mm，内层容器容积为5L, 微弧氧化过程中不锈钢容器中间夹层通入循环冷却水对电解液进行冷却,

微弧氧化使用的电源为恒流式电源，正脉冲电流在0.1A-10.0A范围内调节，工作频率在100Hz-2000Hz内连续调节,

微弧氧化使用的电解液配方为：磷酸钠30g±2g、氢氧化钠4g±2g、锡酸钠2g±1g；按以上配方用天平称好后加入2000ml±10ml去离子水中，然后置入双层不锈钢容器中，用搅拌器搅拌5-10min，溶解成电解液,

微弧氧化过程中设置电源参数如下：正向脉冲电流0.3-0.5A、工作频率700-900Hz、占空比30-50％, 微弧氧化时渗镀钛不锈钢工件接阳极，不锈钢容器接阴极，通电后电源开始工作，直流电压迅速升高至350-380V，开始微弧氧化，氧化时间为5-8min，不锈钢件基体上二氧化钛膜层制备完成。

本发明的优点及有益效果

本发明制备的二氧化钛膜层与不锈钢基体附着牢固，不易脱落，表面平整，粒子分布均匀。制备的二氧化钛为锐钛矿和金红石的混晶结构，光催化性能优于单一的锐钛矿和金红石二氧化钛光催化剂。晶粒平均尺寸为20nm，具有量子效应，有较好的催化活性。此外膜层表面呈现多孔结构，有利于提高光催化效率。

附图说明

图1为不锈钢表面微弧氧膜层压痕图

图2为不锈钢二氧化钛膜层表面衍射强度图谱

图3为不锈钢表面微弧氧化膜层SEM图

图4为亚甲基蓝光催化降解率图

图中所示 1—不锈钢基体，2—TiO₂膜，Y—衍射强度，A—锐钛矿相，R—金红石相，Ti—纯钛相，S—不锈钢基体相，η—降解率，t—时间。

具体实施方式

下面结合具体实施实例和附图对本发明作进一步具体说明：

1．将经过研磨、抛光和超声波清洗后的不锈钢件置入多弧离子渗镀设备的真空室中，真空室尺寸为800mm×900mm，设定不锈钢件与纯钛阴极靶之间相距150mm，将真空室抽真空至4.0×10^-3 - 5×10^-3 Pa，往真空室充入纯氩气至真空度为0.6Pa，逐渐对不锈钢加电压至800 V，再对不锈钢溅射清洗15分钟;

2．减少纯氩气流量，降真空度至2.0×10^-2- Pa, →点燃阴极电弧靶，调节靶电压为20V, 弧电流为60A, →逐渐提高偏压至800V, 维持45秒, →降低偏压至600V，完成对纯钛阴极靶材的溅射清洗;

3．调节真空室内真空度至工作气压0.4Pa，弧电流为60A，不锈钢件电压为1100V, 控制不锈钢件温度为900℃，对不锈钢件渗镀6min，→调节不锈钢工件电压为800V，不锈钢件温度下降为750℃，维持6min，→调节不锈钢件电压为500V，不锈钢件温度下降为650℃，保持6min，→调节不锈钢电压为300V，不锈钢件温度下降为350℃，渗镀15min，完成纯钛渗镀层的制备;

4．对渗镀钛后的不锈钢工件进行微弧氧化形成二氧化钛膜层:

微弧氧化使用的容器为双层不锈钢容器，外层容器尺寸为20mmⅹ15mmⅹ20mm，内层容器容积为5L，微弧氧化过程中不锈钢容器中间夹层通入循环冷却水对电解液进行冷却, 

微弧氧化使用的电源为恒流式电源，正脉冲电流在0.1A-10.0A范围内调节，工作频率在100Hz-2000Hz内连续调节,

微弧氧化使用的电解液配方为：磷酸钠30g、氢氧化钠4g、锡酸钠2g；按以上配方用天平称好后加入2000ml去离子水中，然后置入双层不锈钢容器中，用搅拌器搅拌10min，溶解成电解液，

微弧氧化过程中设置电源参数如下：正向脉冲电流0.4A、工作频率800Hz、占空比30％,微弧氧化时渗镀钛不锈钢工件接阳极,不锈钢容器接阴极，通电后电源开始工作，直流电压迅速升高至350V，开始微弧氧化，氧化时间为5min，不锈钢件基体上二氧化钛膜层制备完成。

5. 对制备的二氧化钛膜层进行压痕实验，所得结果如图1所示，1为不锈钢基体, 2为TiO₂膜, 压痕周围没有出现脱落，表明结合性能良好。对制备的二氧化钛膜层进行X射线衍射分析，结果如图2所示，A代表锐钛矿相, R代表金红石相, 表明TiO₂薄膜中二氧化钛相为金红石和锐钛矿的混晶结构，有利于提高光催化性能。此外，利用Scherrer公式计算二氧化钛的平均晶粒尺寸为20nm，膜层晶粒具有纳米量子尺寸效应，也有利于提高光催化性能。对制备的二氧化钛膜层进行扫描分析，所得结果如图3所示，表明膜层呈现多孔结构，这有利于提高光催化效率。对二氧化钛膜层进行光催化实验，用100ml 浓度为10mg/L的亚甲基蓝做光催化降解反应，利用紫外-可见光光分度计测定160min内的吸光度变化，并计算其降解率, 所得结果如图所4所示，160min内亚甲基蓝的降解率为30%，表明不锈钢表面TiO₂渗镀层具有良好的光催化性能。

Claims (1)

1. 一种不锈钢表面TiO₂渗镀层的制备方法，其特征在于实施步骤如下：

(1) 将经过研磨、抛光和超声波清洗后的不锈钢件置入多弧离子渗镀设备的真空室中, 真空室尺寸为800mm×900mm，设定不锈钢件与纯钛阴极靶之间相距140mm-160mm，将真空室抽真空至4.0×10^-3 - 5×10^-3 Pa，往真空室充入纯氩气至真空度为0.4-0.6Pa，逐渐对不锈钢加电压至600-800 V，再对不锈钢溅射清洗15-20分钟;

(2) 减少纯氩气流量，降真空度至2.0×10^-2 - 3.0×10^-2Pa, →点燃阴极电弧靶，调节靶电压为20-22V, 弧电流为55-65A, →逐渐提高偏压至800-1000V，维持40-60秒, →降低偏压至600-800V，完成对纯钛阴极靶材的溅射清洗;

(3) 调节真空室内真空度至工作气压0.4-0.6Pa，弧电流为55-65A，不锈钢件电压为1000-1100V，控制不锈钢件温度为900-950℃，对不锈钢件渗镀4-6min, →调节不锈钢工件电压为700-800V，不锈钢件温度下降为750-800℃，维持4-6min,→ 调节不锈钢件电压为400-500V，不锈钢件温度下降为600-650℃，保持4-6min, →调节不锈钢电压为200-300V，不锈钢件温度下降为300-350℃，渗镀15-20min，完成纯钛渗镀层的制备;

(4) 对渗镀钛后的不锈钢工件进行微弧氧化形成二氧化钛膜层:

微弧氧化使用的容器为双层不锈钢容器，外层容器尺寸为20mmⅹ15mmⅹ20mm，内层容器容积为5L, 微弧氧化过程中不锈钢容器中间夹层通入循环冷却水对电解液进行冷却,

微弧氧化使用的电源为恒流式电源，正脉冲电流在0.1A-10.0A范围内调节，工作频率在100Hz-2000Hz内连续调节,

微弧氧化使用的电解液配方为：磷酸钠30g±2g、氢氧化钠4g±2g、锡酸钠2g±1g；按以上配方用天平称好后加入2000ml±10ml去离子水中，然后置入双层不锈钢容器中，用搅拌器搅拌5-10min，溶解成电解液,

微弧氧化过程中设置电源参数如下：正向脉冲电流0.3-0.5A、工作频率700-900Hz、占空比30-50％, 微弧氧化时渗镀钛不锈钢工件接阳极，不锈钢容器接阴极，通电后电源开始工作，直流电压迅速升高至350-380V，开始微弧氧化，氧化时间为5-8min，不锈钢件基体上二氧化钛膜层制备完成。

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