一種CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層的制備方法，采用三對平面Cr靶作為相應(yīng)Cr元素的來源，三對平面Cr靶均勻安裝在離子源增強磁控濺射離子鍍膜設(shè)備的內(nèi)壁上，通過調(diào)整中頻脈沖電源的電流控制上述三對平面Cr靶的濺射率；采用一個陽極層氣體離子源，以提高氣體的離化率和反應(yīng)粒子的能量；采用高純Ar作為靶材濺射氣體；采用高純N2作為反應(yīng)氣體，通過陽極層氣體離子源后使其離化并與靶材濺射下來的Cr粒子結(jié)合，在樣品表面沉積形成三層結(jié)構(gòu)的Cr底層/CrNx基梯度過渡層/CrN外層。具有表面光滑致密，涂層的顯微硬度為Hv800，膜基結(jié)合力達(dá)到80N，當(dāng)摩擦副為Al2O3球時，CrNx基涂層的干摩擦系數(shù)為0.35，中性鹽霧實驗的耐蝕性超過672小時。
【專利說明】一種CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于涂層材料制備領(lǐng)域，具體涉及一種CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]硬質(zhì)涂層如TiN，TiC, CrN, TiCN, TiSiN等，一般具有高硬度、耐磨損和抗腐蝕等優(yōu)異性能，在日用電子產(chǎn)品、衛(wèi)浴產(chǎn)品、機械產(chǎn)品及汽車和航空零件等表面裝飾防護領(lǐng)域正得到廣泛應(yīng)用，如手機、手表、手提電腦、水龍頭、浴盆噴管、汽車和飛機的標(biāo)準(zhǔn)緊固件等。
[0003]近年來為了提高產(chǎn)品的競爭力，對表面裝飾防護涂層的綜合性能要求越來越高，然而，已有涂層制備技術(shù)難以同時兼顧高硬度、耐腐蝕、耐磨損和外觀可賞性等要求。目前涂層制備技術(shù)多采用電弧離子鍍或磁控濺射離子鍍，其中，電弧離子鍍具有沉積速率快、結(jié)合力高等優(yōu)點，但電弧離子鍍涂層中的液滴由于制備原理本身的限制，導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)較為疏松，表面光潔度 差等。磁控濺射方法雖可獲得光滑致密的表面狀態(tài)，但該方法制備的涂層的結(jié)合力不高，沉積速率較慢，難以滿足高品質(zhì)涂層的性能要求。為了提高涂層的結(jié)合力或耐磨性，這些涂層制備技術(shù)中幾乎都采用了打底層、過渡層或多層疊加設(shè)計，但仍不能滿足涂層綜合性能和外觀裝飾要求，如CrN是廣泛使用的裝飾防護涂層，已經(jīng)在工業(yè)界應(yīng)用十余年。然而，有關(guān)CrN涂層制備中的一些技術(shù)難題仍未能很好解決。如軟基體和硬質(zhì)涂層之間的性能過渡始終是CrN涂層進一步廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵制約因素，表現(xiàn)為涂層因結(jié)合力和硬度不高，耐磨性能和抗劃擦能力較差。通過增加涂層厚度可提高其硬度和耐磨性能，但涂層中的殘余應(yīng)力也會增加，導(dǎo)致涂層的結(jié)合力和耐蝕性能降低，同時涂層外觀光潔度、色澤的均勻性和穩(wěn)定性等也出現(xiàn)不同程度下降。目前無論采用單一結(jié)構(gòu)的CrN涂層，兩層結(jié)構(gòu)的Cr底層/CrN涂層，還是三層結(jié)構(gòu)的Cr底層/CrN過渡層/CrN外層，或Cr底層/TiN或TiC過渡層/CrN外層等設(shè)計，由于產(chǎn)品基體一般較軟，按照上述涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計制備的高硬度的CrN涂層，其成分和性能與基體材料過渡仍顯不夠或不連續(xù)，表現(xiàn)為成分不均易導(dǎo)致涂層外觀光潔度或色澤較差，而性能不均易使涂層在使用過程中早期脫落，或不耐磨損，或不耐腐蝕。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種新的CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層的制備方法，該方法制備的CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層具有穩(wěn)定均勻的金屬光澤，表面光滑致密，涂層的結(jié)合力和耐磨抗蝕等綜合性能顯著提高，有望滿足工件表面裝飾防護的更高要求。
[0005]為了實現(xiàn)上述任務(wù)，本發(fā)明采取如下的解決方案:
[0006]一種CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層的制備方法，其特征在于，該方法采用三對平面Cr靶作為相應(yīng)Cr元素的來源，三對平面Cr靶均勻安裝在離子源增強磁控濺射離子鍍膜設(shè)備的內(nèi)壁上，通過調(diào)整中頻脈沖電源的電流控制上述三對平面Cr靶的濺射率；采用一個陽極層氣體離子源，以提高氣體的離化率和反應(yīng)粒子的能量；采用高純Ar作為靶材濺射氣體；采用高純N2作為反應(yīng)氣體，通過陽極層氣體離子源后使其離化并與靶材濺射下來的Cr粒子結(jié)合，在樣品表面沉積形成三層結(jié)構(gòu)的Cr底層/CrNx基梯度過渡層/CrN外層。
[0007]本發(fā)明的方法所制備的CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層，是在完成底層Cr制備后，設(shè)計了一個具有成分連續(xù)過渡的CrNx基過渡層，使得CrNx基過渡層內(nèi)N的成分一直在連續(xù)均勻變化，保證了 CrN基過渡層的微觀結(jié)構(gòu)和使用性能的緩和梯度變化，直至制備CrN外層時才維持N的成分固定不變，以保證涂層的外觀色澤均勻，該CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層為三層結(jié)構(gòu)形式:即Cr底層/CrNx基梯度過渡層/CrN外層。該方法比現(xiàn)有技術(shù)制備的單層、兩層或三層結(jié)構(gòu)的CrN涂層均有顯著優(yōu)點，例如，單一結(jié)構(gòu)的CrN涂層與軟基體結(jié)合不好，兩層結(jié)構(gòu)的Cr底層/CrN涂層性能過渡較突然，三層結(jié)構(gòu)的Cr底層/TiN或TiC過渡層/CrN外層中，過渡層TiN或TiC與外層CrN畢竟不是一類成分的涂層，綜合性能難以調(diào)控到與外層CrN涂層相匹配的狀態(tài)，而傳統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)的Cr底層/CrN過渡層/CrN外層中，過渡層CrN的成分是固定不變的，或過渡層CrN厚度很薄，并且與外層CrN成分不同，這就很難保證涂層結(jié)構(gòu)與性能的緩和過渡。
[0008]本發(fā)明中，CrNx基梯度過渡層的制備原理是基于N成分線性增加的梯度設(shè)計概念，CrNx基梯度過渡層中的X (x< I)指N和Cr的化學(xué)計量比。這樣不但滿足了涂層微觀結(jié)構(gòu)的匹配，而且保證了涂層使用性能的匹配。另外，采用本發(fā)明的方法所得到的CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層為三層結(jié)構(gòu)，即Cr底層/CrNx基梯度過渡層/CrN外層，其厚度分別優(yōu)化為0.2 μ m，1.7 μ m和0.6 μ m，其中，該CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層的耐磨和耐蝕性能主要靠較厚的CrNx基梯度過渡層支撐，外觀金屬色澤及裝飾效果主要靠CrN外層提供，而具有金屬光澤Cr底層主要是改善與基體的結(jié)合力。因此，本發(fā)明制備的三層結(jié)構(gòu)的Cr底層/CrNx基梯度過渡層/CrN外層既具有相對獨立的作用，又相互協(xié)調(diào)配合，滿足整體涂層的綜合使用性能要求。
[0009]本發(fā)明采用具有離子源增強的磁控濺射離子鍍方法，它克服了傳統(tǒng)磁控濺射離子鍍技術(shù)的粒子能量較低、結(jié)合力不好的缺點，依靠氣體離子源的增強作用，高能反應(yīng)粒子對工件表面進行有效刻蝕和轟擊，可明顯提高膜基結(jié)合力。鍍膜過程中離子源又可以增加N2的離化率，提高沉積速率和膜層致密性。制備的三層結(jié)構(gòu)的CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層，具有表面光滑致密，涂層的顯微硬度為Hv800，膜基結(jié)合力達(dá)到80N，涂層總厚度為2.5 μ m，其中Cr底層、CrNx基梯度過渡層和CrN外層厚度分別約為0.2 μ m，1.7 μ m和
0.6 μ m。經(jīng) 申請人:測試，當(dāng)摩擦副為Al2O3球時，CrNx基涂層的干摩擦系數(shù)為0.35，中性鹽霧實驗的耐蝕性超過672小時。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的離子源增強磁控濺射鍍膜設(shè)備的三對平面Cr靶材安裝示意圖。
[0011]以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
【具體實施方式】
[0012]在以下的實施例中，所述的CrNx基梯度過渡層中的X (x≤I)指N和Cr的化學(xué)計量比。[0013]按照本發(fā)明的技術(shù)方案，CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層的制備方法，采用三對平面Cr靶作為相應(yīng)Cr元素的來源，三對平面Cr靶均勻安裝在離子源增強磁控濺射離子鍍膜設(shè)備的內(nèi)壁上，通過調(diào)整中頻脈沖電源的電流控制上述三對平面Cr靶的濺射率；采用一個陽極層氣體離子源，以提高氣體的離化率和反應(yīng)粒子的能量；采用高純Ar作為靶材濺射氣體；采用高純N2作為反應(yīng)氣體，通過陽極層氣體離子源后使其離化并與靶材濺射下來的Cr粒子結(jié)合，在樣品表面沉積形成三層結(jié)構(gòu)的Cr底層/CrNx基梯度過渡層/CrN外層。
[0014]以下是發(fā)明人給出的實施例，需要說明的是，本發(fā)明的方法制備的CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層，可以在任何金屬或非金屬選用的材料上進行，不限于該實施例。
[0015]一種在304不銹鋼表面制備CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層的方法，具體制備過程是:
[0016](I)采用尺寸為40mmX20mmXlmm的304不銹鋼作為樣品，經(jīng)表面除油、拋光后浸
入丙酮中超聲波清洗，酒精脫水。
[0017](2)將步驟(1)處理后的樣品放入離子源增強磁控濺射離子鍍膜設(shè)備的轉(zhuǎn)架臺I上，如圖1所示，轉(zhuǎn)架臺I可以轉(zhuǎn)動，以保證鍍膜過程的均勻性。
[0018](3)采用靶材尺寸為760mmX IOOmmX IOmm的三對平面Cr靶作為相應(yīng)Cr元素的來
源，如圖1所示，三對平面Cr靶均勻安裝在離子源增強磁控濺射離子鍍膜設(shè)備的內(nèi)壁上，在內(nèi)壁上有觀察窗。
[0019]通過調(diào)整中頻脈沖電源的電流控制上述三對平面Cr靶的濺射率；采用一個陽極層氣體離子源，提高氣體的離化率和反應(yīng)粒子的能量；采用高純Ar作為靶材濺射氣體；采用高純N2作為反應(yīng)氣體，通過陽極層氣體離子源后使其離化并與靶材濺射下來的Cr粒子結(jié)合，在樣品表面沉積形成三層結(jié)構(gòu)的Cr底層/CrNx基梯度過渡層/CrN外層。
`[0020](4)制備CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層的優(yōu)化工藝條件為:
[0021]A)樣品等離子體清洗:
[0022]304不銹鋼樣品裝入真空室后，抽真空并加熱到100°C不變。通入50ml/min的Ar從離子源進入到真空室，當(dāng)真空室氣壓達(dá)到6Pa時，開啟離子源的功率為1.0Kff,偏壓電源的偏壓為-150V，對真空室樣品表面進行刻蝕轟擊，持續(xù)30min。
[0023]B) Cr底層制備:
[0024]調(diào)節(jié)氬氣流量到30ml/min、將真空室氣壓調(diào)至0.3Pa，然后開啟三對平面Cr靶電源，調(diào)節(jié)三對平面Cr靶的電流均為10A，調(diào)節(jié)離子源功率為1.5KW，偏壓電源的偏壓為-100V，在樣品表面制備Cr底層，時間lOmin。
[0025]C) CrNx基過渡層制備:
[0026]Cr底層制備完成后，保持三對平面Cr靶的電流為10A，離子源功率1.5KW，偏壓-1OOV不變，打開N2開關(guān)，在真空室溫度100°C、氣壓0.3Pa下，在Cr底層上制備CrNx基成分梯度過渡層，用質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)N2流量在80min內(nèi)從Oml/min線性增加到150ml/min0
[0027]D ) CrN外層制備:
[0028]當(dāng)上述N2流量增加到150ml/min時，CrNx基成分梯度過渡層制備即完成,開始進入外層CrN的制備，這時維持三對平面Cr靶的電流均為10A，N2流量150ml/min，離子源功率1.5KW不變，鍍膜偏壓降為-50V，在真空室溫度100°C，氣壓0.3Pa下，沉積時間30min。[0029]在上述工藝條件下，即在304不銹鋼樣品表面獲得CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層，該裝飾防護涂層具有三層結(jié)構(gòu)，即Cr底層/CrNx基梯度過渡層/CrN外層。其表面光滑致密，膜基結(jié)合力達(dá)到80N，涂層顯微硬度為Hv800，涂層總厚度為2.5 μ m，其中Cr底層、CrNx基梯度過渡層和CrN外層厚度分別約為0.2 μ m，1.7 μ m和0.6 μ m。當(dāng)摩擦副為Al2O3球時，CrNx基 涂層的干摩擦系數(shù)為0.35，中性鹽霧試驗的耐蝕時間超過672小時。
【權(quán)利要求】
1.一種CrNx基成分梯度過渡的裝飾防護涂層的制備方法，其特征在于，該方法采用三對平面Cr靶作為相應(yīng)Cr元素的來源，三對平面Cr靶均勻安裝在離子源增強磁控濺射離子鍍膜設(shè)備的內(nèi)壁上，通過調(diào)整中頻脈沖電源的電流控制上述三對平面Cr靶的濺射率；采用一個陽極層氣體離子源，以提高氣體的離化率和反應(yīng)粒子的能量；采用高純Ar作為靶材濺射氣體；采用高純N2作為反應(yīng)氣體，通過陽極層氣體離子源后使其離化并與靶材濺射下來的Cr粒子結(jié)合，在樣品表面沉積形成三層結(jié)構(gòu)的Cr底層/CrNx基梯度過渡層/CrN外層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，具體按照下列步驟操作: 1)樣品經(jīng)表面除油、拋光后浸入丙酮中超聲波清洗，酒精脫水； 2)將步驟I)處理后的樣品放入離子源增強磁控濺射離子鍍膜設(shè)備的轉(zhuǎn)架臺上，轉(zhuǎn)架臺可以轉(zhuǎn)動，以保證鍍膜過程的均勻性； 3)離子源增強磁控濺射離子鍍制備CrNx基涂層的工藝條件為: A)樣品等離子體清洗: 樣品裝入真空室后，抽真空并加熱到100°C不變，通入50ml/min的Ar從離子源進入到真空室，當(dāng)真空室氣壓達(dá)到6Pa時，開啟離子源的功率為1.0KW，偏壓電源的偏壓為-150V，對真空室樣品表面進行刻蝕轟擊,持續(xù)30min ； B)Cr底層制備: 調(diào)節(jié)氬氣流量到30ml/min、將真空室氣壓調(diào)至0.3Pa，然后開啟三對平面Cr靶電源，調(diào)節(jié)三對平面Cr靶電流均為10A，調(diào)節(jié)離子源功率為1.5KW，偏壓電源的偏壓為-100V，在樣品表面制備Cr底層，時間IOmin ； OCrNx基過渡層制備: Cr底層制備完成后，保持三對平面Cr靶的電流為10A，離子源功率1.5KW，偏壓-100V不變，打開N2開關(guān)，在真空室溫度100°C、氣壓0.3Pa下，在Cr底層上制備CrNx基成分梯度過渡層，用質(zhì)量流量控制器調(diào)節(jié)N2流量在80min內(nèi)從Oml/min線性增加到150ml/min ； D) CrN外層制備: 當(dāng)上述N2流量增加到150ml/min時，CrNx基成分梯度過渡層制備即完成，開始進入外層CrN的制備，這時維持三個平面Cr靶的電流均為10A，N2流量150ml/min，離子源功率1.5KW不變，鍍膜偏壓降為-50V，在真空室溫度100°C，氣壓0.3Pa下，沉積時間30min。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的Cr底層/CrNx基梯度過渡層/CrN外層，其厚度分別為0.2 μ m，1.7 μ m和0.6 μ m。
【文檔編號】C23C14/35GK103741108SQ201310740302
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】馬勝利, 梁智濤 申請人:晨光真空技術(shù)（深圳）有限公司