/Cr多層耐磨耐蝕薄膜材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種化N/化/SIsNa/化多層耐磨損耐腐蝕一體化薄膜材料及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，與TiN薄膜相比，物理氣相沉積化N薄膜具有更高的顯微硬度、初性和 更好的耐腐蝕性能。但是CrN薄膜在表面工程領(lǐng)域的應(yīng)用仍然存在較大局限性。該主要是 因為受到物理氣相沉積技術(shù)特點的影響，化N薄膜一般均含有針孔、微裂紋等組織缺陷，此 類缺陷易于形成應(yīng)用環(huán)境中侵害介質(zhì)到達基體材料的"通路"。當(dāng)基體材料由點蝕發(fā)展到嚴(yán) 重腐蝕時，基體材料表面化N薄膜就會發(fā)生剝落失效。因此，對于易鎊蝕金屬基體材料，W 及鹽霧、高溫高濕等苛刻環(huán)境條件，&N薄膜的應(yīng)用都存在較大的局限性。目前，已有研究 結(jié)果表明制備超厚化N (> 10 ym)薄膜可W較大程度降低貫穿膜層的組織缺陷的形成，從 而提高&N薄膜對基體材料的耐腐蝕防護性能。但是制備超厚&N薄膜仍然存在W下主要 缺點：（0較大薄膜厚度會改變基體零部件結(jié)構(gòu)尺寸，從而引起相關(guān)零部件裝配、曬合及運 轉(zhuǎn)精度等一系列參數(shù)變化。因此超厚CrN薄膜不適用于精密機械部件，如精密軸承滾珠、精 密齒輪W及精密閥口等組件表面的耐磨損耐腐蝕防護；（2)制備超厚薄膜對薄膜制備設(shè)備 可靠性及技術(shù)穩(wěn)定性提出了更高的要求，同時也會增加薄膜制備成本。因此，制備薄的耐磨 耐蝕薄膜對發(fā)揮化N薄膜優(yōu)異性能，擴大其適用范圍，進一步開發(fā)該類薄膜材料的應(yīng)用潛 能意義重大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種化N/化/SisN/化多層耐磨耐蝕薄膜材料及其制備方 法。
[0004] -種化N/化/SigN/化多層耐磨耐蝕薄膜材料，其特征在于該薄膜材料由化、Si和 N H種元素構(gòu)成，薄膜呈現(xiàn)出共4層的多層結(jié)構(gòu)，從基體材料表面到多層薄膜表面，多層薄 膜依次為化層、非晶SisN4層、致密化層和化N層；所述的金屬基體材料選自碳鋼或合金 鋼。
[0005] 本發(fā)明所述的薄膜材料，其中化層厚度為0. 1~0.5 ym，非晶SisN4層厚度為 0. 1~0. 4 y m，致密化層厚度為0. 1~0. 3 y m，化N層厚度為0. 5~1 y m ;薄膜總厚度為 0. 8 ~2. 2y m。
[000引一種化N/化/SisV化多層耐磨耐蝕薄膜材料的制備方法，其特征在于通過磁控 姍射方法在輝光等離子體環(huán)境中沉積制備，具體步驟為： 步驟一、祀材制備及安裝 1) 化祀的制備；把化錠加工成。60~90mm，厚度為4~7mm的圓柱形革己； 2) 多晶Si祀的制備：把Si物料直接模壓成060~90mm，厚度為4~7mm的圓柱形 祀； 3)將化祀和多晶Si祀分別安裝在磁控姍射鍛膜裝置祀座，并分別連接磁控姍射電 源； 步驟二、安裝準(zhǔn)備鍛膜基體材料 將潔凈的準(zhǔn)備鍛膜的金屬基體材料裝入鍛膜真空室，將基體材料鍛膜表面與化及Si 祀材之間的祀距調(diào)整至60~100mm ; 步驟H、離子轟擊處理 將鍛膜真空室抽真空至本底氣壓《6Xl(T3Pa，然后充入高純氮氣，氣壓至2.0~ 6. OPa，離子轟擊功率0. 2~1 W/cm2,離子轟擊處理時間為10~30min ; 步驟四、姍射鍛膜 沉積化層；向真空室充入氮氣至氣壓為5 X 10-1~2. 0 Pa,對化祀通電，調(diào)節(jié)化祀電 壓為250~400 V，電流1. 2~1. 5 A，基體材料偏壓-50~-200V，實施化底層沉積； 沉積非晶SisN4層：關(guān)閉化祀，通入氮氣氣壓至2. 0~3. OPa，對Si祀通電，調(diào)節(jié)Si祀 電壓為250~450 V，電流1. 2^1. 5A，基體材料偏壓-50~-200V，實施非晶SisN4層沉積； 對非晶SisN4層氮離子轟擊處理；在非晶SisN4層沉積完成后，關(guān)閉Si祀，關(guān)閉氮氣。將 氮氣氣壓提高至2. 0~6. 0 Pa,將基體材料偏壓提高至-500V~-1000V，對非晶SisN4層進 行氮離子轟擊處理，轟擊時間為10~30min ; 沉積致密化層：將氮氣氣壓重新調(diào)整至5Xl(ri~2.0 Pa,基體材料偏壓調(diào)整 至-50~-200V，對化祀通電，調(diào)節(jié)化祀電壓為250~400 V，電流1. 2~1. 5 A，實施致密 Cr層沉積； 沉積&N層；在致密&層沉積完成后，維持&祀電壓、電流、氮氣氣壓W及基體材料偏 壓不變，并直接通入氮氣，至氣壓2. 0~3. OPa，沉積化N層，化N層沉積完成后，關(guān)閉化祀 電源。鍛膜結(jié)束后，鍛膜基體材料在鍛膜真空室內(nèi)自然冷卻至室溫，得到化N/化/Si/化多 層耐磨耐蝕薄膜材料。
[0007] 本發(fā)明的關(guān)鍵在于所有鍛層均在常溫條件下制備，低沉積溫度條件保證了 SisN4 層形成致密的非晶體結(jié)構(gòu)。在非晶SisN4層沉積完成后，對非晶SisN4層進行氮離子轟擊處 理，該處理步驟可W對非晶SisN4層表面形成姍射刻蝕作化造成非晶SisN4層表面粗趟度增 加，而粗趟的非晶SisN4層會進一步提高后續(xù)化層沉積時的形核密度，達到化層W小晶粒 高致密度方式生長，從而沉積形成致密化層。
[0008] 本發(fā)明所述的金屬基體材料選自碳鋼或合金鋼。
[0009] 本發(fā)明金屬化純度大于99 wt 〇/〇。
[0010] 本發(fā)明Si純度大于99 wt 〇/〇。
[0011] 本發(fā)明工作氮氣純度大于99. 9 wt %。
[0012] 本發(fā)明工作氮氣純度大于99.9 wt %。
[0013] 本發(fā)明的薄膜材料具有多層結(jié)構(gòu)，表面CrN層可為薄膜提供高硬度和良好的耐磨 損性能，致密化層和非晶SisN4層可W打斷和封閉薄膜中的組織缺陷，避免貫穿膜層的針孔 和微裂紋形成，從而使多層薄膜整體獲得對基體材料良好的耐腐蝕防護性能。Cr層可W降 低多層薄膜與基體材料之間的應(yīng)力，有效提高多層薄膜承載能力和膜-基結(jié)合強度。
[0014] 本發(fā)明薄膜不僅具備傳統(tǒng)&N薄膜高硬度、高化學(xué)惰性的特點，同時具備良好的 耐腐蝕防護性能，適用于各類金屬基體材料，包括易于鎊蝕金屬材料的表面抗磨損耐腐蝕 防護，也適用于鹽霧、高溫高濕等苛刻應(yīng)用環(huán)境。該薄膜采用多層化結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是通過 引入非晶SisN4層，其誘發(fā)形成致密化層，產(chǎn)生打斷和封閉貫穿薄膜的組織缺陷的結(jié)構(gòu)效 應(yīng)，從而克服了傳統(tǒng)化N薄膜適用環(huán)境及適用基體材料受到局限的缺點，實現(xiàn)了化N基薄膜 耐磨損和耐腐蝕功能一體化。
[0015] 該發(fā)明薄膜具備W下具體性能： 薄膜具備> 15GPa硬度； 薄膜耐腐蝕防護性能：W 45鋼為基體材料，鍛膜試樣在溫度30 + 3 C，相對濕度 65 ± 5%RH條件下膽存72h，試樣無鎊蝕； 薄膜與鋼基體結(jié)合強度：采用劃痕試驗法檢測薄膜與鋼基體的結(jié)合強度，臨界載荷 Lc > 30N ; 薄膜承載能力；表面垂直加載1838N，用40倍顯微觀察，本發(fā)明薄膜不破裂不剝落。
【具體