一種超高硬度耐磨薄膜及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于新材料的設(shè)計與制備技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種超高硬度耐磨薄膜，包含金屬有機鹽5?10%，無機鹽60?90%，輔助劑0.1?5%，表面活性劑0.5?3%。制備步驟如下：（1）按原料配比稱取金屬有機鹽加入到容器中并加水溶解，按照其化合價態(tài)，加入油酸鈉或者油胺，攪拌均勻，在60?90℃條件下老化24小時；（2）向上述原料中加入無機鹽、輔助劑和表面活性劑并研磨均勻；（3）將上述原料置于管式馬弗爐中，以氬氣氣氛保護將基體置于距離上述原料1?5cm處，以5?10℃/分鐘升溫速率加熱至600?800℃，調(diào)小氣速至0.01SLPM，保溫2?4小時；（4）最后，冷卻表面覆蓋有超高硬度耐磨薄膜的基體至室溫，即可得到超高硬度耐磨薄膜產(chǎn)品。主要應(yīng)用在磨料、磨具及人工生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
【專利說明】
一種超高硬度耐磨薄膜及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于新材料的設(shè)計與制備技術(shù)領(lǐng)域，具體是涉及一種超高硬度耐磨薄膜及其生產(chǎn)方法。主要應(yīng)用于磨具、刀具等強韌化領(lǐng)域，在磨料、磨具、人工生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石薄膜是性能最好的硬質(zhì)耐磨保護薄膜材料之一，但是其昂貴的價格和復(fù)雜的制備工藝在一定程度上，限制了其實際應(yīng)用。類金剛石薄膜材料，由于具有相對低廉的價格和優(yōu)異的耐磨性能和穩(wěn)定性，引起人們廣泛關(guān)注。類金剛石薄膜是近來興起的一種以sp3和sp2鍵的形式結(jié)合生成的亞穩(wěn)態(tài)材料，兼具了金剛石和石墨的優(yōu)良特性，而具有高硬度、高電阻率、良好光學(xué)性能以及優(yōu)秀的摩擦學(xué)特性。
[0003]類金剛石薄膜通常又被人們稱為DLC薄膜，是英文詞匯Diamond Like Carbon的簡稱，它是一類性質(zhì)近似于金剛石，具有高硬度、高電阻率、良好光學(xué)性能等，同時又具有自身獨特摩擦學(xué)特性的非晶碳薄膜。碳元素因碳原子和碳原子之間的不同結(jié)合方式，從而使其最終產(chǎn)生不同的物質(zhì):金剛石(diamond)—碳碳以sp3鍵的形式結(jié)合;石墨(graphite)—碳碳以sp2鍵的形式結(jié)合;它沒有嚴格的定義，可以包括很寬性質(zhì)范圍的非晶碳，因此兼具了金剛石和石墨的優(yōu)良特性;所以由類金剛石而來的DLC膜同樣是一種亞穩(wěn)態(tài)長程無序的非晶材料，碳原子間的鍵合方式是共價鍵，主要包含sp2和sp3兩種雜化鍵。
[0004]然而，它與工業(yè)中常用的鐵基材料存在“觸媒效應(yīng)”，即鍍的刀具在加工黑色金屬的過程中高硬度砂鍵會轉(zhuǎn)化成軟的護鍵，使耐磨性急劇下降，因此限制了它的應(yīng)用范圍和年限。柳襄懷等采用離子束輔助沉積功技術(shù)制備出了用于滿足電磁功能要求的“石墨化”的膜，提出存在高硬度“碳結(jié)構(gòu)”。其后，英國某公司采用全封閉非平衡磁控濺射制備出了高硬度碳膜鍍層。
[0005]類金剛石薄膜都是亞穩(wěn)態(tài)材料，在制備方法中需要有荷能離子轟擊生長表面這一關(guān)鍵。自從Aisenberg和Chabot兩位科學(xué)家利用碳離子束沉積出DLC薄膜以來，人們已經(jīng)成功地研究出了許多物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積以及液相法制備DLC薄膜的新方法和新技術(shù)。這之中有兩個法分別為氣相法和沉積法。氣相法是直接利用氣體，或者通過各種手段將物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理變化或者化學(xué)反應(yīng)，最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米粒子的方法。沉積法又分為直接沉淀法、共沉淀法和均勻沉淀法等，都是利用生成沉淀的液相反應(yīng)來制取。但是，上述這些方法存在著工藝復(fù)雜，條件苛刻，成本較高等問題，這些問題制約著類金剛石耐磨薄膜的發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，有必要開發(fā)新型制備技術(shù)。
[0006]本發(fā)明以金屬有機鹽為原料，通過其與金屬無機鹽、表面活性劑、輔助劑等材料混合并研磨，將其在高溫下熱解，產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物沉積與金屬或陶瓷制件表面，形成一層高強度耐磨薄膜。這種方法不僅可以用于礦產(chǎn)磨具，刀具，齒輪，還可以用于人工髖關(guān)節(jié)、人工牙齒等領(lǐng)域，具有重要的經(jīng)濟價值和社會效益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種以價格低廉金屬有機鹽為原料，通過簡單的氣相沉積的工藝制備一種超高硬度耐磨薄膜，并期望其在耐磨材料行業(yè)中得到重要的應(yīng)用。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種超高硬度耐磨薄膜，該薄膜由下述原料按照質(zhì)量百分比制成:金屬有機鹽5-10%，無機鹽60-90%，輔助劑0.1-5%，表面活性劑0.5_3%，各原料質(zhì)量百分比之和為百分之百。所述金屬有機鹽為鐵或鈦或鈷或鎳或銅或鉻元素的油酸鹽或者油胺鹽形式。所述無機鹽為氯化鈉和/或氯化鉀。所述輔助劑為尿素和/或三聚氰胺。所述表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨或者十六烷基三甲基氯化銨。
[0009]—種超高硬度耐磨薄膜的生產(chǎn)方法，該生產(chǎn)方法的制備步驟如下:
(1)按上述的原料配比稱取金屬有機鹽加入到容器中并加水溶解，按照其化合價態(tài)，加入油酸鈉或者油胺，攪拌均勻，在60-90°C條件下，于敞開口體系中老化24小時，烘干備用；
(2)然后，向上述原料中加入無機鹽、輔助劑和表面活性劑并研磨均勻，備用；
(3)將上述原料置于管式馬弗爐中，以氬氣氣氛保護，條件:0.04SLPM，將金屬或陶瓷基體置于距離上述原料l_5cm處，以5-10°C/分鐘升溫速率加熱至600-800°C，調(diào)小氣速至0.01SLPM，保溫 2-4 小時；
(4)最后，冷卻表面覆蓋有超高硬度耐磨薄膜的基體至室溫，即可得到超高硬度耐磨薄膜產(chǎn)品。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:采用?6、11、(:0、祖等金屬的油酸/油胺鹽，與氯化鈉/氯化鉀等無機鹽相混合研磨，氬氣保護焙燒，氣相沉積結(jié)合緊密的耐磨薄膜，工藝過程簡單，原料成本低廉，可以大規(guī)模應(yīng)用。
【附圖說明】
[0011]附圖1是以氯化鐵前驅(qū)體為例子，本發(fā)明的工藝流程圖。第一步是制備油酸鐵并老化;第二步與鹽混合，第三步，將其置于氮氣或者氬氣保護氣氛下焙燒，高溫下沉積獲得薄膜。圖2為對FeCrNi合金鋼板鍍耐磨薄膜后的SEM圖?？梢钥闯觯∧ご笾聻閮蓪?，厚度為I微米左右。圖3為鍍耐磨薄膜FeCrNi合金鋼球使用一周前后的照片圖。可以看出，經(jīng)過一周連續(xù)使用，薄膜基本沒有磨損。圖4為本工藝在氧化鋁陶瓷基體上沉積薄膜前后產(chǎn)物圖?？梢钥闯觯沾苫w均勻地負載了一層近透明薄膜。
【具體實施方式】
[0012]實施例1、一種超高硬度耐磨薄膜，該薄膜由下述原料按照質(zhì)量百分比制成:金屬有機鹽5-10%，無機鹽60-90%，輔助劑0.1-5%，表面活性劑0.5_3%，各原料質(zhì)量百分比之和為百分之百。所述金屬有機鹽為鐵或鈦或鈷或鎳或銅或鉻元素的油酸鹽或者油胺鹽形式。所述無機鹽為氯化鈉和/或氯化鉀。所述輔助劑為尿素和/或三聚氰胺。所述表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨或者十六烷基三甲基氯化銨。
[0013]實施例2、一種超高硬度耐磨薄膜的生產(chǎn)方法，該生產(chǎn)方法的制備步驟如下:
(I)按權(quán)利要求1中所述的原料配比稱取金屬有機鹽加入到容器中并加水溶解，按照其化合價態(tài)，加入油酸鈉或者油胺，攪拌均勾，在60-90°C條件下，于敞開□體系中老化24小時，烘干備用；
(2)然后，向上述原料中加入無機鹽、輔助劑和表面活性劑并研磨均勻，備用；
(3)將上述原料置于管式馬弗爐中，以氬氣氣氛保護，條件:0.04SLPM，將金屬或陶瓷基體置于距離上述原料l_5cm處，以5-10°C/分鐘升溫速率加熱至600-800°C，調(diào)小氣速至0.01SLPM，保溫 2-4 小時；
(4)最后，冷卻表面覆蓋有超高硬度耐磨薄膜的基體至室溫，即可得到超高硬度耐磨薄膜產(chǎn)品。
[0014]實施例3、一種超高硬度耐磨薄膜的生產(chǎn)方法，包括下述步驟組成:(I)稱取27克的六水合氯化鐵和6克水，加入到燒杯中，加入91.2克的油酸鈉，攪拌均勻，在烘箱中，60-90°C老化24小時，烘干得到前驅(qū)物；
(2)向上述原料中加入1180克的氯化鈉或者氯化鉀，或者二者任意比例的混合物，并加入3.6克十六烷基三甲基溴化銨和6.0克尿素，并研磨均勻；
(3)將上述原料置于管式馬弗爐中，以氬氣氣氛保護(0.04SLPM)，將金屬/陶瓷基體置于距離上述原料l-5cm處，以5-10 °C/分鐘升溫速率加熱至600-800 °C，調(diào)小氣速至
0.01SLPM，保溫 2-4 小時；
(4)冷卻至室溫即可得到產(chǎn)品。
[0015]實施例4、一種超高硬度耐磨薄膜的生產(chǎn)方法，包括下述步驟組成:將實施例3中的27克六水合氯化鐵換成23.8克氯化鈷，其余條件不變，即可制得超高硬度耐磨薄膜產(chǎn)品。
[0016]實施例5、一種超高硬度耐磨薄膜的生產(chǎn)方法，包括下述步驟組成:
(1)稱取15.4克TiCl3.4H20溶液，加入7.5克油胺和水，將混合物充分攪拌0.5-3小時得到油酸鈦溶液，備用；
(2)將步驟(I)制備好的前驅(qū)體在60-90°C烘箱中烘干并老化；
(3)向上述原料中加入1180克的氯化鈉或者氯化鉀，或者二者任意比例的混合物，并加入3.6克十六烷基三甲基溴化銨和6.0克尿素，并研磨均勻；
(4)將上述原料置于管式馬弗爐中，以氬氣氣氛保護(0.04SLPM)，將金屬/陶瓷基體置于距離上述原料1-5厘米處，以5-10°C/分鐘升溫速率加熱至600-800 °C，調(diào)小氣速至
0.01 SLPM，保溫2-4小時;冷卻至室溫即可得到產(chǎn)品。
【主權(quán)項】
1.一種超高硬度耐磨薄膜，其特征在于，該薄膜由下述原料按照質(zhì)量百分比制成:金屬有機鹽5-10%，無機鹽60-90%，輔助劑0.1-5%，表面活性劑0.5_3%，各原料質(zhì)量百分比之和為百分之百。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高硬度耐磨薄膜，其特征在于，所述金屬有機鹽為鐵或鈦或鈷或鎳或銅或鉻元素的油酸鹽或者油胺鹽形式。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高硬度耐磨薄膜，其特征在于，所述無機鹽為氯化鈉和/或氯化鉀。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高硬度耐磨薄膜，其特征在于，所述輔助劑為尿素和/或三聚氰胺。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種超高硬度耐磨薄膜，其特征在于，所述表面活性劑為十六烷基三甲基溴化銨或者十六烷基三甲基氯化銨。6.一種超高硬度耐磨薄膜的生產(chǎn)方法，其特征在于，該生產(chǎn)方法的制備步驟如下: (1)按權(quán)利要求1中所述的原料配比稱取金屬有機鹽加入到容器中并加水溶解，按照其化合價態(tài)，加入油酸鈉或者油胺，攪拌均勾，在60-90°C條件下，于敞開□體系中老化24小時，烘干備用； (2)然后，向上述原料中加入無機鹽、輔助劑和表面活性劑并研磨均勻，備用； (3)將上述原料置于管式馬弗爐中，以氬氣氣氛保護，條件:0.04SLPM，將金屬或陶瓷基體置于距離上述原料l_5cm處，以5-10°C/分鐘升溫速率加熱至600-800°C，調(diào)小氣速至0.01SLPM，保溫 2-4 小時； (4)最后，冷卻表面覆蓋有超高硬度耐磨薄膜的基體至室溫，即可得到超高硬度耐磨薄膜產(chǎn)品。
【文檔編號】C23C16/27GK106011782SQ201610582011
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月21日
【發(fā)明人】宿新泰, 梁志光, 梁承東, 馮春全
【申請人】新疆紅電金鑄耐磨材料有限責任公司