CN104120395B - 一种在铁基材料表面沉积铁+铬+钼+钛+氮化钛的混合多层纳米强化层的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在铁基材料表面沉积铁+铬+钼+钛+氮化钛的混合多层纳米强化层的工艺，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，混合层铁和铬、铬和钼、钼和钛之间没有明显的分界线，为混合逐步形成的过渡层，最后再复合沉积纳米级的氮化钛强化层，形成结合力良好的复合强化层。本发明采用磁控溅射在铁基材料表面沉积铁+铬+钼+钛+氮化钛的多层纳米强化层，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，其硬质陶瓷薄膜的特点，具有耐腐蚀、耐磨损、化学稳定性好、韧性好、低应力等优点，能够大幅度提高工件耐磨性，耐腐蚀性等性能。

Description

一种在铁基材料表面沉积铁 + 铬 + 钼 + 钛 + 氮化钛的混合多层纳米强化层的工艺

技术领域

本发明涉及表面工程技术，具体是一种在铁基材料表面沉积铁+铬+钼+钛+氮化钛的混合多层纳米强化层的工艺。

背景技术

硬质薄膜涂层能有效提高表面硬度、耐磨和耐蚀性，大幅度提高产品的使用寿命，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。其中氮化钛硬质薄膜是产业化应用比较广泛的一种。目前，常用的TiN薄膜制备技术有磁控溅射、弧光离子镀等，磁控溅射制备技术具有沉积温度低，表面质量好等优点。但一般涂层单层且较薄，与基体结合力较差；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，靶材会溅射出大颗粒物分布于薄膜上，导致薄膜硬度、表面质量以及结合力等性能出现下降。

发明内容

本发明的目的是克服以上技术存在的问题，提供一种表面沉积铁+铬+钼+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的工艺。此方法利用磁控溅射技术在基材和氮化钛薄膜之间沉积多层混合过渡层，其中因为铁与铬、铬与钼以及钼与钛之间，在固态下无限互溶。因此在铁+铬+钼+钛+氮化钛的层与层之间，形成非常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，且在一定程度上提高了其强化性能。

实现本发明目的的技术方案是：

一种在铁基材料表面沉积铁+铬+钼+钛+氮化钛的混合多层纳米强化层的工艺，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-铬+铬+铬-钼+钼+钼-钛+钛的混合过渡层；混合层铁和铬、铬和钼、钼和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是可以无限互溶，故其原子是固态固溶体形式结合，最后再复合沉积纳米级的氮化钛强化层，形成结合力良好的复合强化层。具体包括如下步骤：

（1）将铁基材料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）将铁基材料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***，抽至一定真空度时开启加热***，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，开启纯铬磁控靶的电源，在已沉积有铁基薄膜上沉积一层纳米级纯铁-纯铬混合层；

（7）同第（5），（6）步骤相似，再在依次在纯铁-铬层和纯铁-铬-钼层上混合沉积钼和沉积钛，最终形成铁-铬-钼-钛混合纳米层；

（8）最后通入氮气，调整氩氮流量比，在铁-铬-钼-钛混合纳米层表面沉积一层纳米级氮化钛层，最终形成铁+铁-铬+铬+铬-钼+钼+钼-钛+钛-氮化钛的强化层；

（9）沉积结束后在真空中随炉冷却至60℃以下，取出工件。

步骤（1）中所述铁基材料为铁基材料或铁基合金；

步骤（3）中所述的清理工件表面的工艺参数为：极限真空度3×10^-4 Pa ～5×10^-3Pa，工作气压0.1 Pa～10Pa，负偏压-400V~-800V，清理温度50℃~200℃，清理时间10min～30min。

步骤（4）中所述的极限真空度3×10^-4 Pa ～5×10^-3Pa，工作气压Pa 0.4~0.8Pa，负偏压-100V~-200V。

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

步骤（8）所述氩氮流量比在1:1-4。

本发明的创新点是：利用金属原子的固溶度概念，寻求无限互溶且本身强度较高的合金元素作为过渡层，采用磁控溅射在铁基材料表面沉积铁+铬+钼+钛+氮化钛的多层纳米强化层，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，其硬质陶瓷薄膜的特点，具有耐腐蚀、耐磨损、化学稳定性好、韧性好、低应力等优点，能够大幅度提高工件耐磨性，耐腐蚀性等性能。

具体实施方法

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***，抽至1×10^-3Pa时开启加热***，加热至200℃，真空度抽至背底真空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，先沉积纯铁过渡层，溅射沉积时间为20min，在此期间，单纯溅射沉积铁10分钟后，在后10分钟之内逐步停止纯铁靶材的溅射（铁总溅射20分钟，前10分钟时单独溅射，后10分钟是与铬共同溅射），而同时开始沉积铬逐步增加铬的溅射，10分钟后逐步减小铬的溅射（铬滞后铁溅射10分钟，总溅射也是20分钟，其中后10分钟是与铁同时溅射）；后续的钼和钛的溅射沉积也是同样；

在最后沉积钼+钛混合层之后，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，沉积氮化钛层，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+铬+钼+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层。

Claims (6)

1.一种在铁基材料表面沉积铁+铬+钼+钛+氮化钛的混合多层纳米强化层的工艺，其特征是：包括如下步骤：

（1）将铁基材料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）将铁基材料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***，抽至一定真空度时开启加热***，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，开启纯铬磁控靶的电源，在已沉积有铁基薄膜上沉积一层纳米级纯铁-纯铬混合层；

（7）按照步骤（5）、步骤（6）相似方法，关闭纯铬磁控靶的电源，开启纯钼磁控靶电源，在已经沉积有纳米级纯铁-纯铬层的表面沉积钼，形成纳米级纯铁-纯铬-纯钼混合层；关闭纯钼磁控靶的电源，开启纯钛磁控靶电源，在已经沉积有纳米级纯铁-纯铬-纯钼的沉积层表面沉积纯钛，形成纳米级纯铁-纯铬-纯钼-纯钛的混合层；

（8）最后通入氮气，调整氩氮流量比，在铁-铬-钼-钛混合纳米层表面沉积一层纳米级氮化钛层，最终形成铁+铁-铬+铬+铬-钼+钼+钼-钛+钛-氮化钛的强化层；

（9）沉积结束后在真空中随炉冷却至60℃以下，取出工件。

2.根据权利要求1所述的工艺，其特征是：步骤（1）中所述铁基材料为铁基材料或铁基合金。

3.根据权利要求1所述的工艺，其特征是：步骤（3）中所述的对基材进行轰击活化清洗的工艺参数为：极限真空度3×10^-4 Pa ～5×10^-3Pa，工作气压0.1 Pa～10Pa，负偏压-400V~-800V，清理温度50℃~200℃，清理时间10min～30min。

4.根据权利要求1所述的工艺，其特征是：步骤（4）中所述的背底真空度3×10^-4 Pa ～5×10^-3Pa，工作气压Pa 0.4~0.8Pa，负偏压-100V~-200V。

5.根据权利要求1所述的工艺，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所述的工艺，其特征是：步骤（8）所述氩氮流量比在1:1-4。