CN104141110B - 一种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺，是利用磁控溅射技术，在铁基材料表面依次沉积纳米级厚度的铁+铁‑钒+钒+钒‑钛+钛+钛‑氮化钛的混合过渡层；最后再复合沉积纳米级的氮化钛强化层，形成结合力良好的多层混合过渡的复合强化层。本发明利用各种金属原子固溶度概念，寻求无限互溶且本身强度较高的合金元素作为过渡层，采用磁控溅射在金属材料基材表面沉积混合纳米过渡层，最后沉积氮化钛形成多层混合纳米强化层，使形成的过渡层成分梯度分布平缓，残余内应力较小，大大增加了膜基结合强度，增强了与基体的结合力，可以充分发挥表面氮化钛金属陶瓷薄膜的耐腐蚀、耐磨损、高硬度的特点。

Description

一种金属表面沉积铁 + 钒 + 钛 + 氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺

技术领域

本发明涉及表面工程技术，具体是一种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺。

背景技术

氮化钛是金属陶瓷，属于硬质薄膜涂层，它能有效提高材料表面硬度、耐磨和耐蚀性，大幅度提高零件的使用寿命，因而广泛被应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。目前，常用的氮化钛薄膜主要制备技术有磁控溅射、弧光离子镀等，磁控溅射制备技术沉积粒子颗粒细小，薄膜致密性好，表面质量优异。但一般涂层较薄，如太厚则与基体产生较大内应力，呈现为与基体结合力差，极易剥落；弧光离子镀技术具有离化率高、沉积速率快和沉积离子能量高等特点，但是在离子镀过程中，靶材会蒸发和溅射出大颗粒物，导致薄膜硬度和表面质量降低，结合力也较差。

发明内容

本发明的目的是克服现有制备氮化钛薄膜技术存在的问题，提供一种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺。该工艺利用磁控溅射在金属基材和氮化钛薄膜之间沉积纳米多层混合过渡层，其中因为铁与钒、钒与钛之间，在固态下无限互溶。因此在铁+钒+钛+氮化钛的层与层之间，形成均匀的固溶混合多层纳米结构层，层与层之间的成分平缓过渡，形成合理的成分梯度分布，大大降低了界面间的残余内应力，提高复合涂层的结合力，且在一定程度上增强了其强化性能。

实现本发明目的的技术方案是：

一种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺，是利用磁控溅射技术，在铁基材料表面依次沉积纳米级厚度的混合过渡层，该层结构为铁+铁-钒+钒+钒-钛+钛+钛-氮化钛的混合过渡层；混合层铁和钒、钒和钛、钛和氮化钛之间没有明显的分界线，是混合逐步形成的过渡层，因为依次沉积的原子在固态下可以无限互溶，故其原子存在形式为固态固溶体，最后再复合沉积纳米级的氮化钛强化层，形成结合力良好的多层混合过渡的复合强化层。具体包括如下步骤：

（1）将金属材料基材放进丙酮和酒精的混合液中进行超声波清洗，取出后烘干；

（2）将金属材料基材固定在炉内的工件架上，工件架公转的同时进行自转。关闭腔室门，开启真空系统，抽真空度达到极限值范围时，开启加热系统，加热至所设定的温度；

（3）当腔室真空抽至背底真空时，通入氩气，开启偏压电源，对金属材料基材进行轰击活化清洗；

（4）清洗结束后停止通气体，关闭偏压，继续抽真空，抽至背底真空时，通入氩气至所需工作气压，开启偏压电源；

（5）开启纯铁磁控靶的电源，首先沉积一层纳米级纯铁层；

（6）关闭逐步关闭纯铁磁控靶的电源，开启纯钒磁控靶的电源，在已沉积有纯铁纳米级薄膜上混合沉积一层纳米级钒，此时形成的沉积层是：纯铁+铁-钒+钒的混合层；

（7）此时逐步关闭纯钒磁控把电源，开启纯钛磁控把电源，逐步形成纯铁+铁-钒+钒+钒-钛的混合层；

（8）最后仅仅保持钛磁控靶开启，通入氮气，调整氩氮流量比，在纯铁+铁-钒+钒+钒-钛+钛混合纳米过渡层上沉积氮化钛；

（9）沉积结束后在真空中随炉冷却至60℃以下，取出工件即可。

步骤（1）中所述金属材料基材可以为钢铁材料、有色金属和铸铁；

步骤（3）中所述的轰击活化清洗金属材料基材表面的工艺参数为：极限真空度3×10^-4 Pa ~1×10^-3Pa，工作气压0.1 Pa～10Pa，负偏压-400V～-800V，清理温度50~500℃，清理时间10 min～30min；

步骤（4）中所述的极限真空度3×10^-4 Pa ~1×10^-3Pa，工作气压0.4 Pa ~0.8Pa，负偏压-50V~-500V；

步骤（5），（6），（7），（8）中所述的沉积层厚度在50 nm ~100nm。

步骤（8）中所述的氩氮流量比在1:1-4。

本发明的创新点是：利用各种金属原子固溶度概念，寻求无限互溶且本身强度较高的合金元素作为过渡层，采用磁控溅射在金属材料基材表面沉积纯铁+铁-钒+钒+钒-钛+钛混合纳米过渡层，最后沉积氮化钛形成多层混合纳米强化层，此工艺技术形成的过渡层成分梯度分布平缓，残余内应力较小，大大增加了膜基结合强度，最表面的氮化钛层通过过渡层的结合强化作用，增强了与基体的的结合力，可以充分发挥表面氮化钛金属陶瓷薄膜的耐腐蚀、耐磨损、高硬度的特点。

具体实施方式

以下通过具体的实例来进一步说明本发明

经过淬火的T10钢作为试样，在酒精和丙酮的混合液中进行超声波清洗半小时以上。

将清洗后的试样烘干，悬挂在工装卡具上，置于真空室的转架上，工件架公转的同时自转。装好试样后，用无水酒精擦拭密封圈，确保其上面没有杂质，关闭腔室门。

开启真空系统，抽至8×10^-4Pa时开启加热系统，加热至200℃，再抽真空度抽至Pa；通入氩气至5Pa，用-700V偏压清洗试样15min；清洗后，关闭偏压，抽真空至Pa，保持试样温度为200℃，通入氩气并调整工作气压为0.5Pa，开启纯铁靶电源，此处电源选用磁控溅射直流电源，直流电流为3A，偏压为-200V，先沉积10分钟纯铁，之后逐步开启纯钒磁控靶至20分钟，此时前10分钟是单纯溅射沉积纯铁，在后10分钟是铁和钒同时溅射，不同之处是铁逐步减少溅射，钒逐步增加溅射；20分钟后，关闭铁磁控溅射靶，逐步减少钒溅射量至30分钟，此时逐步开启钛磁控靶，至40分钟，此时已经形成铁+铁-钒+钒+钒-钛+钛的混合沉积过渡层。

最后在仅开启钛磁控靶且在已经形成的铁+铁-钒+钒+钒-钛+钛混合沉积层上反应复合沉积氮化钛层。该工艺为：通入氩气和氮气，并使氩氮流量比为1:4，工作气压0.5Pa，直流电流为3A，偏压为-200V，沉积时间为30min。

沉积结束后，在真空中随炉冷却至60℃以下，取出工件。此时工件表面已沉积上铁+铁-钒+钒+钒-钛+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层。

Claims (6)

1.一种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺，其特征是：包括如下步骤：

（1）将金属材料基材放进丙酮和酒精的混合液中进行超声波清洗，取出后烘干；

（2）将金属材料基材固定在炉内的工件架上，工件架公转的同时进行自转；

关闭腔室门，开启真空系统，抽真空度达到极限值范围时，开启加热系统，加热至所设定的温度；

（3）当腔室真空抽至背底真空时，通入氩气，开启偏压电源，对金属材料基材进行轰击活化清洗；

（4）清洗结束后停止通气体，关闭偏压，继续抽真空，抽至背底真空时，通入氩气至所需工作气压，开启偏压电源；

（5）开启纯铁磁控靶的电源，首先沉积一层纳米级纯铁层；

（6）逐步关闭纯铁磁控靶的电源，开启纯钒磁控靶的电源，在已沉积有纯铁纳米级薄膜上混合沉积一层纳米级钒，此时形成的沉积层是：纯铁+铁-钒+钒的混合层；

（7）此时逐步关闭纯钒磁控把电源，开启纯钛磁控把电源，逐步形成纯铁+铁-钒+钒+钒-钛+钛的混合层；

（8）最后仅仅保持钛磁控靶开启，通入氮气，调整氩氮流量比，在纯铁+铁-钒+钒+钒-钛+钛混合纳米过渡层上沉积氮化钛；

（9）沉积结束后在真空中随炉冷却至60℃以下，取出工件即可。

2.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征是：步骤（1）中所述金属材料基材为钢铁材料、有色金属和铸铁。

3.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征是：步骤（3）中所述的轰击活化清洗金属材料基材表面的工艺参数为：极限真空度3×10^-4 Pa ~1×10^-3Pa，工作气压0.1 Pa～10Pa，负偏压-400V～-800V，清理温度50~500℃，清理时间10 min～30min。

4.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征是：步骤（4）中的极限真空度3×10^-4 Pa ~1×10^-3Pa，工作气压0.4 Pa ~0.8Pa，负偏压-50V~-500V。

5.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征是：步骤（5），（6），（7），（8）中所述的沉积层厚度在50 nm ~100nm。

6.根据权利要求1所述的制备工艺，其特征是：步骤（8）中所述的氩氮流量比在1:1-4。