CN111441024A - 一种钨表面阻氧膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钨表面阻氧膜，包括钨基体，钨基体表面镀有复合膜层，复合膜层依次为铝层、第一氮化铬铝层、铬层、第二氮化铬铝层，复合膜层的底层为铝层，复合膜层的顶层为第二氮化铬铝层。本发明还公开了该阻氧膜的制备方法，首先，将钨基体表面打磨、抛光；再将钨基体依次置于碱溶液和酸溶液中，进行超声波清洗；最后将钨基体置于镀膜机，采用PVD法镀制阻氧膜。钨表面经处理后，不仅可以耐800℃高温，而且具有优良的润滑性能，极大改善了钨工件的使用环境，其硬度可达1800HV以上，该抗氧化膜薄而均匀，保留钨原有尺寸，不影响钨使用尺寸，提高了钨耐高温性和抗氧化性。
Description
技术领域
本发明属于金属表面加工技术领域，具体涉及一种钨表面阻氧膜，还涉及该阻氧膜的制备方法。
背景技术
钨是一种难熔金属，因其具有优良的导电、导热性，并且熔点高、强度大、线膨胀系数小、抗蚀性强以及高温力学性能良好，因而广泛应用于航空航天、发电、核反应堆、军事工业、化学工业、电子工业和玻璃制造业等领域。钨应用于上述领域需要有保护气体(如氮气、氩气等)或真空环境，因为钨在空气中加热到400℃时开始氧化，随着温度升高，氧化加剧，在更高的温度下，钨逐渐被氧化成疏松膨胀的黄色的三氧化钨，空气湿度较大时，即使在常温下钨也会被逐渐氧化，在其表面上覆盖一层蓝紫色的中间氧化薄膜。所以，钨的氧化和挥发现象影响了其高温力学性能，限制了钨的应用。
目前解决钨氧化的途径有两条，一是掺杂，二是外加涂层。钨的掺杂程度很小，当加入抗氧化性的合金元素量稍多时，合金的性能变差，脆性大，难以加工，所以用掺杂的方法难以从根本上改变钨的抗氧化能力，而且还会影响到它的许多的高温性能，如高温强度、耐冲击性、耐热震性和抗蠕变性等。钨涂层得到大量研究，常见有烧结涂层、熔渗涂层等，但大多存在涂层厚、不均匀、与基体结合力不强、相容性差等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种钨表面阻氧膜，提高了钨的耐高温性和抗氧化性。
本发明的另一个目的是提供一种钨表面阻氧膜的制备方法，该种方法制备过程简单且成本低。
本发明所采用的技术方案是，一种钨表面阻氧膜，包括钨基体，钨基体表面镀有复合膜层，复合膜层依次为铝层、第一氮化铬铝层、铬层、第二氮化铬铝层，复合膜层的底层为铝层，复合膜层的顶层为第二氮化铬铝层。铬层和铝层的厚度均为50～100nm，复合膜层的厚度为1～3μm。
本发明所采用另一的技术方案是，一种钨表面阻氧膜的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将钨基体表面打磨、抛光；抛光后钨基体表面粗糙度为0.4～0.6μm；
步骤2，将钨基体依次置于碱溶液和酸溶液中，进行超声波清洗；
步骤3，将钨基体置于镀膜机，采用PVD法镀制阻氧膜。
本发明的特点还在于，
步骤2中，碱溶液为质量百分比为30～40％的氢氧化钠溶液，酸溶液为质量百分比为30～40％的盐酸溶液，超声波清洗的时间均为20～40分钟，用纯水冲洗干净。
步骤3中，具体为：将圆饼状铝靶材、铬铝靶材及铬靶材分别置于镀膜机的溅射源凹槽内，钨基体悬挂于镀膜腔室内，依次进行磁控溅射，得到阻氧膜，磁控溅射温度为450℃～500℃，铝靶、铬靶和铬铝靶的电压和电流分别为15～20V、80～130A。
本发明的有益效果是：
钨表面经镀膜处理后，不仅可以耐800℃以上高温，而且具有优良的润滑性能，极大改善了钨工件的使用环境，其硬度可达1800HV以上，摩擦系数0.5～0.6，膜厚度1～3μm，薄而均匀、保留钨原有尺寸，不影响钨使用尺寸，提高了钨耐高温性和抗氧化性。
附图说明
图1为本发明一种钨表面阻氧膜的结构示意图。
图中，1.钨基体，2.铝层，3.第一氮化铬铝层，4.铬层，5.第二氮化铬铝层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种钨表面阻氧膜，如图1所示，包括钨基体1，钨基体1表面镀有复合膜层，复合膜层依次为铝层2、第一氮化铬铝层3、铬层4、第二氮化铬铝层5，复合膜层的底层为铝层2，复合膜层的顶层为第二氮化铬铝层5，金属层过渡到复合层，用金属的韧性分解、降低复合层的应力，防止崩膜。
铬层4和铝层2的厚度均为50～100nm，复合膜层的厚度为1～3μm；
本发明一种钨表面阻氧膜的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将钨基体表面打磨、抛光，抛光后钨基体表面粗糙度为0.4～0.6μm；
步骤2，将钨基体依次置于碱溶液和酸溶液中，进行超声波清洗；
碱溶液为质量百分比为30～40％的氢氧化钠溶液，酸溶液为质量百分比为30～40％的盐酸溶液，超声波清洗的时间均为20～40分钟，并用纯水冲洗干净；
步骤3，将钨基体置于镀膜机，采用PVD法镀制阻氧膜；
具体为：将圆饼状铝靶材、铬铝靶材及铬靶材分别置于镀膜机的溅射源凹槽内，钨基体悬挂于镀膜腔室内，依次进行磁控溅射，得到阻氧膜，磁控溅射温度为450℃～500℃，铝靶材、铬靶和铬铝靶的电压和电流分别为15～20V、80～130A。
在本发明的方法中，钨基体表面经过抛光、清洗后用PVD真空离子方法镀有复合膜层，依次为铝层、第一氮化铬铝层、铬层、第二氮化铬铝层，采用现有的多弧型离子真空镀膜机，钨基体悬挂在镀膜腔室中绕轴圆周运动，每运动一个周期镀一层膜，箱体两壁均装有电弧靶和磁控溅射靶。镀膜室内装有加热器，镀膜室顶部装有转动装置，依次通入保护气体氩气以及反应气体氮气。
实施例1
本发明一种钨表面阻氧膜，包括钨基体1，钨基体1表面镀有复合膜层，复合膜层依次为铝层2、第一氮化铬铝层3、铬层4、第二氮化铬铝层5，复合膜层的底层为铝层2，复合膜层的顶层为第二氮化铬铝层5。
铬层4和铝层2的厚度均为50nm，复合膜层的厚度为1μm；
本发明一种钨表面阻氧膜的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将钨基体表面打磨、抛光；抛光后钨基体表面粗糙度为0.4μm；
步骤2，将钨基体依次置于碱溶液和酸溶液中，进行超声波清洗；
碱溶液为质量百分比为30％的氢氧化钠溶液，酸溶液为质量百分比为30％的盐酸溶液，超声波清洗的时间均为20分钟，并用纯水冲洗干净；
步骤3，将钨基体置于镀膜机，采用PVD法镀制阻氧膜；
具体为：将圆饼状铝靶材、铬铝靶材及铬靶材分别置于镀膜机的溅射源凹槽内，钨基体悬挂于镀膜腔室内，依次进行磁控溅射，得到抗氧化膜，磁控溅射温度为450℃，铝靶材、铬靶和铬铝靶的电压和电流分别为15V、80A。该阻氧膜扫描能谱结果如表1所示，由表1可知，膜成分含有N、Cr、Al，未见基体成分W，说明基体被膜均匀覆盖。薄而均匀、膜呈黑灰色，保留钨原有尺寸，不影响钨使用尺寸，提高了钨耐高温性和抗氧化性，该膜硬度1800HV，摩擦系数0.5，耐800℃高温48小时。
表1阻氧膜扫描能谱分析
实施例2
本发明一种钨表面阻氧膜，包括钨基体1，钨基体1表面镀有复合膜层，复合膜层依次为铝层2、第一氮化铬铝层3、铬层4、第二氮化铬铝层5，复合膜层的底层为铝层2，复合膜层的顶层为第二氮化铬铝层5。
铬层4和铝层2的厚度均为80nm，复合膜层的厚度为2μm；
本发明一种钨表面阻氧膜的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将钨基体表面打磨、抛光；抛光后钨基体表面粗糙度为0.5μm；
步骤2，将钨基体依次置于碱溶液和酸溶液中，进行超声波清洗；
碱溶液为质量百分比为35％的氢氧化钠溶液，酸溶液为质量百分比为35％的盐酸溶液，超声波清洗的时间均为30分钟，并用纯水冲洗干净；
步骤3，将钨基体置于镀膜机，采用PVD法镀制阻氧膜；
具体为：将圆饼状铝靶材、铬铝靶材及铬靶材分别置于镀膜机的溅射源凹槽内，钨基体悬挂于镀膜腔室内，依次进行磁控溅射，得到抗氧化膜，磁控溅射温度为480℃，铝靶材、铬靶和铬铝靶的电压和电流分别为18V、100A。该阻氧膜扫描能谱结果如表2所示，由表2可知，膜成分含有N、Cr、Al，未见基体成分W，说明基体被膜均匀覆盖。薄而均匀、膜呈黑灰色，保留钨原有尺寸，不影响钨使用尺寸，提高了钨耐高温性和抗氧化性，该膜硬度1900HV，摩擦系数0.55，耐800℃高温48小时。
表2阻氧膜扫描能谱分析
实施例3
本发明一种钨表面阻氧膜，包括钨基体1，钨基体1表面镀有复合膜层，复合膜层依次为铝层2、第一氮化铬铝层3、铬层4、第二氮化铬铝层5，复合膜层的底层为铝层2，复合膜层的顶层为第二氮化铬铝层5。
铬层4和铝层2的厚度均为100nm，复合膜层的厚度为3μm；
本发明一种钨表面阻氧膜的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，将钨基体表面打磨、抛光；抛光后钨基体表面粗糙度为0.6μm；
步骤2，将钨基体依次置于碱溶液和酸溶液中，进行超声波清洗；
碱溶液为质量百分比为40％的氢氧化钠溶液，酸溶液为质量百分比为40％的盐酸溶液，超声波清洗的时间均为40分钟，并用纯水冲洗干净；
步骤3，将钨基体置于镀膜机，采用PVD法镀制阻氧膜；
具体为：将铝靶材、铬铝靶材及铬靶材分别置于镀膜机的溅射源上，钨基体悬挂于镀膜腔室内，依次进行磁控溅射，得到抗氧化膜，磁控溅射温度为500℃，铝靶材、铬靶和铬铝靶的电压和电流分别为20V、130A。该阻氧膜扫描能谱结果如表3所示，由表3可知，由表3可知，膜成分含有N、Cr、Al，未见基体成分W，说明基体被膜均匀覆盖。薄而均匀、膜呈黑灰色，保留钨原有尺寸，不影响钨使用尺寸，提高了钨耐高温性和抗氧化性，该膜硬度2000HV，摩擦系数0.6，耐800℃高温48小时。
表3阻氧膜扫描能谱分析
Claims (5)
1.一种钨表面阻氧膜，其特征在于，包括钨基体(1)，所述钨基体(1)表面镀有复合膜层，所述复合膜层依次为铝层(2)、第一氮化铬铝层(3)、铬层(4)、第二氮化铬铝层(5)，所述复合膜层的底层为铝层(2)，所述复合膜层的顶层为第二氮化铬铝层(5)。
2.根据权利要求1所述的一种钨表面阻氧膜，其特征在于，所述铬层(4)和铝层(2)的厚度均为50～100nm，所述复合膜层的厚度为1～3μm。
3.一种如权利要求2所述的钨表面阻氧膜的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1，将钨基体表面打磨、抛光；抛光后钨基体表面粗糙度为0.4～0.6μm；
步骤2，将钨基体依次置于碱溶液和酸溶液中，进行超声波清洗；
步骤3，将钨基体置于镀膜机，采用PVD法镀制阻氧膜。
4.根据权利要求3所述的一种钨表面阻氧膜的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，碱溶液为质量百分比为30～40％的氢氧化钠溶液，酸溶液为质量百分比为30～40％的盐酸溶液，超声波清洗的时间均为20～40分钟，并用纯水冲洗干净。
5.根据权利要求3所述的一种钨表面阻氧膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，具体为：将圆饼状铝靶材、铬铝靶材及铬靶材分别置于镀膜机的溅射源凹槽内，钨基体悬挂于镀膜腔室内，依次进行磁控溅射，得到阻氧膜，磁控溅射温度为450℃～500℃，铝靶材、铬靶和铬铝靶的电压和电流分别为15～20V、80～130A。
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Application publication date: 20200724 |