專利名稱：一種催滲等離子氮碳共滲與氮碳化鈦復(fù)合膜層的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬表面復(fù)合膜層的制備方法，特別涉及一種催滲等離子氮碳共滲與氮碳化鈦復(fù)合膜層的制備方法。
背景技術(shù)：
氮碳化鈦具有較高的硬度(18 ^GPa)，較低的摩擦系數(shù)(0. 4 0. 5)，有較強(qiáng)的韌性和磨損能力，被廣泛應(yīng)用于耐磨減摩場合和裝飾品等。工具膜主要用于銑刀、沖壓模具、冷鍛模具、塑料模具和耐磨件等涂層。由于氮碳化鈦膜層與基體(如鋼、鈦合金等)的結(jié)構(gòu)和性能差異大，導(dǎo)致膜/基結(jié)合力差，直接在基體上沉積時(shí)容易發(fā)生剝落而導(dǎo)致膜層失效。為了降低膜層與基材的突變性，降低界面應(yīng)力，提高氮碳化鈦膜層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，通常采用梯度過渡的結(jié)構(gòu)。稀土催滲離子氮化可以在基體表面形成厚達(dá)幾十至幾百微米的滲氮層，獲得了較高的表面硬度以及梯度硬度的基體表面層?；w材料表面硬度的提高為后繼鍍制氮碳化鈦膜層提供了良好的支撐作用，降低氮碳化鈦膜層與基體之間的硬度突變，獲得連續(xù)過渡的界面結(jié)構(gòu)，可以大幅度提高氮碳化鈦膜層的性能和使用壽命。與氮碳化鈦膜層相比，采用稀土催滲離子氮碳化與氮碳化鈦膜復(fù)合的涂層性能顯著提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的氮碳化鈦膜層與基體硬度差異大、膜/基結(jié)合力差，提出一種稀土金屬氧化物催滲等離子氮碳共滲與氮碳化鈦復(fù)合膜層的制備方法。本發(fā)明的技術(shù)方案由以下步驟組成1)稀土金屬氧化物催滲等離子氮碳共滲將基材除銹除油后置于離子滲氮爐中， 壓力501 以下，通入氮?dú)鈿錃?1 1 10 1和含有稀土金屬氧化物飽和的C1^3烷基醇溶液蒸汽的混合氣體，爐壓為100 1200Pa，爐溫450 600°C，保溫1 6小時(shí)；2)沉積氮碳化鈦膜層①待步驟1)完成后調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛，通入氮?dú)鈿錃? 1 2 10 1，通過調(diào)節(jié)四異丙基鈦(Ti
4)的加熱溫度90 125°C，調(diào)節(jié)進(jìn)氣量；② 在爐壓為70 220Pa，電壓為650V 1600V，沉積溫度為500 550°C，沉積時(shí)間為0. 5 4h沉積氮碳化鈦膜層。所述稀土金屬氧化物為氧化釔或氧化鑭。所述C1 3烷基醇為甲醇、乙醇或異丙醇。所述混合氣體中C1 3烷基醇溶液蒸汽占體積百分為5 22%。經(jīng)過稀土金屬氧化物催滲等離子氮碳共滲處理的鋼表面可以獲得更高的滲層硬度和更加平緩的硬度梯度表面，提高基體的支撐作用。同時(shí)稀土金屬可以促進(jìn)韌性相Y' 的形成，從而增加滲層的塑韌性，提高膜層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。具有良好支撐作用的基體可以發(fā)揮氮碳化鈦膜層的性能優(yōu)勢，降低氮碳化鈦膜的內(nèi)應(yīng)力，提高膜層穩(wěn)定性。這種復(fù)合處理的方法可以大幅度提高工件的使用壽命。與未經(jīng)過稀土金屬氧化物催滲等離子氮碳共滲處理而直接沉積氮碳化鈦膜層相比，稀土金屬氧化物催滲離子氮碳共滲與氮碳化鈦復(fù)合膜層的性能顯著提高，主要表現(xiàn)在表面硬度、膜/基結(jié)合力、耐磨性能等得到明顯提高。在 H13模具鋼上未經(jīng)過稀土金屬氧化物催滲等離子氮碳共滲而直接鍍氮碳化鈦膜層的膜/基結(jié)合力只有20N左右，硬度在HVa(l25,151715，經(jīng)過稀土金屬氧化物催滲等離子氮碳共滲與氮碳化鈦膜層處理后的膜/基結(jié)合力達(dá)到了 60N以上，硬度達(dá)到了 HVatl25,152 1 95。本發(fā)明的方法清潔環(huán)保，工藝簡單，可以實(shí)現(xiàn)大面積工業(yè)化生產(chǎn)。利用稀土催滲等離子氮碳共滲技術(shù)與氮碳化鈦膜復(fù)合處理以提高氮碳化鈦膜的使用性能的研究未見報(bào)道。


圖1為加入氧化釔或氧化鑭以及未加入稀土金屬氧化物催滲等離子氮碳共滲的硬度梯度曲線；圖2為H13鋼未加入稀土金屬氧化物催滲等離子氮碳共滲的XRD譜圖；圖3為H13鋼經(jīng)氧化釔催滲等離子氮碳共滲的XRD譜圖；圖4為H13鋼不同處理工藝對表面硬度的影響。PN表示等離子氮化膜層；MOPCVD 金屬有機(jī)鈦等離子體化學(xué)氣相沉積膜層；圖5為H13鋼不同處理工藝橫截面硬度梯度。
具體實(shí)施例方式采用H13鋼，在裝爐前進(jìn)行除油，除銹清洗，脫水干燥。實(shí)施例11)將基材置于離子滲氮爐中，在真空度達(dá)到50 以下，通入氮?dú)鈿錃?3 1 和氧化釔飽和乙醇溶液蒸汽的混合氣體，氧化釔乙醇溶液蒸汽占混合氣體體積含量為7 %， 爐壓800Pa，溫度540°C，保溫2小時(shí)，然后隨爐冷卻。滲層厚度110 μ m。2)沉積氮碳化鈦膜層①完成1)后調(diào)整爐內(nèi)氣氛，使氮?dú)浔葹? 1，爐壓120Pa， 電壓為1200V粒子轟擊3分鐘；②待完成①后緩慢打開通入加熱到105°C的四異丙基鈦蒸汽閥門，調(diào)整爐壓到120Pa，電壓為1400V，溫度為540°C，沉積2小時(shí)氮碳化鈦膜層，氮碳化鈦膜層厚度為3 μ m，膜/基結(jié)合力為60N。實(shí)施例21)將工件置于離子滲氮爐中，在真空度達(dá)到50 以下，通入氮?dú)鈿錃?2 1 和氧化鑭飽和甲醇溶液蒸汽的混合氣體，氧化鑭甲醇溶液蒸汽占混合氣體體積含量為 10%,爐壓500Pa，溫度520°C，保溫2. 5小時(shí)，然后隨爐冷卻。滲層厚度100 μ m。2)沉積氮碳化鈦膜層①完成1)后調(diào)整爐內(nèi)氣氛，使氮?dú)浔葹? 1，爐壓150Pa， 電壓為1200V粒子轟擊3分鐘；②待完成①后緩慢打開通入加熱到100°C的四異丙基鈦蒸汽閥門，調(diào)整爐壓到lOOPa，電壓為1400V，溫度540°C，沉積2小時(shí)氮碳化鈦膜層，氮碳化鈦膜層厚度為2. 5 μ m，膜/基結(jié)合力為65N。
權(quán)利要求
1.一種稀土催滲等離子氮碳共滲與氮碳化鈦復(fù)合膜層的制備方法，其特征是由以下步驟組成1)稀土金屬氧化物催滲等離子氮碳共滲將基材除銹除油后置于離子滲氮爐中，壓力 50Pa以下，通入氮?dú)鈿錃?1 1 10 1和含有稀土金屬氧化物飽和的C1^3烷基醇溶液蒸汽的混合氣體，爐壓為100 1200Pa，爐溫450 600°C，保溫1 6小時(shí)；2)沉積氮碳化鈦膜層①待步驟1)完成后調(diào)節(jié)爐內(nèi)氣氛，通入氮?dú)鈿錃?1 2 10 1，通過調(diào)節(jié)四異丙基鈦(Ti
4)的加熱溫度90 125°C，調(diào)節(jié)進(jìn)氣量；②在壓力為70 220Pa，電壓為650 1600V，電流密度為0. 3 1. 2mA/cm2，沉積時(shí)間為0. 5 4h 沉積氮碳化鈦膜層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催滲等離子氮碳共滲與氮碳化鈦復(fù)合膜層的制備方法，其特征是所述稀土金屬氧化物為氧化釔或氧化鑭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催滲等離子氮碳共滲與氮碳化鈦復(fù)合膜層的制備方法，其特征是所述C1 3烷基醇為甲醇、乙醇或異丙醇。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的催滲等離子氮碳共滲與氮碳化鈦復(fù)合膜層的制備方法，其特征是所述混合氣體中C1 3烷基醇溶液蒸汽占體積百分為5 22%。
全文摘要
一種稀土催滲等離子氮碳共滲與氮碳化鈦復(fù)合膜層的制備方法。其特征是由以下步驟組成(1)稀土催滲等離子氮碳共滲將基材置于離子滲氮爐中，在50Pa以下，通入氮?dú)狻脷錃猓?∶1～10∶1和含有稀土金屬氧化物飽和的C1～3烷基醇溶液蒸汽的混合氣體；(2)采用等離子化學(xué)氣相沉積氮碳化鈦膜層用四異丙基鈦(Ti[OC3H7]4)為鈦源，在等離子體化學(xué)氣相沉積(簡稱PCVD)設(shè)備上進(jìn)行沉積Ti(CN)涂層。本發(fā)明制備的稀土催滲等離子氮碳共滲與氮碳化鈦復(fù)合膜層具有硬度高，與基體硬度差異小，高的膜/基結(jié)合力的特點(diǎn)。本發(fā)明的方法清潔環(huán)保，工藝簡單，可以實(shí)現(xiàn)大面積工業(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)C23C16/36GK102168269SQ201110063710
公開日2011年8月31日 申請日期2011年3月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月16日
發(fā)明者代明江, 侯惠君, 宋進(jìn)兵, 林松盛, 韋春貝 申請人:廣州有色金屬研究院