一种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺，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铁+铁-钒+钒+钒-钛+钛+钛-氮化钛的混合过渡层；最后再复合沉积纳米级的氮化钛强化层，形成结合力良好的多层混合过渡的复合强化层。本发明利用各种金属原子固溶度概念，寻求无限互溶且本身强度较高的合金元素作为过渡层，采用磁控溅射在金属材料基材表面沉积混合纳米过渡层，最后沉积氮化钛形成多层混合纳米强化层，使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，增强了与基体的的结合力，可以充分发挥表面氮化钛金属陶瓷薄膜的耐腐蚀、耐磨损、高硬度的特点。
【专利说明】-种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强 化层的制备工艺
【技术领域】
[0001] 本发明涉及表面工程技术，具体是一种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层 混合纳米强化层的制备工艺。
【背景技术】
[0002] 氮化钛是金属陶瓷，属于硬质薄膜涂层，它能有效提高材料表面硬度、耐磨和耐蚀 性，大幅度提高零件的使用寿命，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。目前，常用的氮化钛薄膜主要制备技术有磁控溅射、弧光离 子镀等，磁控溅射制备技术沉积粒子颗粒细小，薄膜致密性好，表面质量优异。但一般涂层 较薄，如太厚则与基体产生较大内应力，呈现为与基体结合力差，极易剥落；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，靶材会蒸发 和溅射出大颗粒物，导致薄膜硬度和表面质量降低，结合力也较差。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是克服现有制备氮化钛薄膜技术存在的问题，提供一种金属表面沉 积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺。该工艺利用磁控溅射在金属基 材和氮化钛薄膜之间沉积纳米多层混合过渡层，其中因为铁与钒、钒与钛之间，在固态下无 限互溶。因此在铁+钒+钛+氮化钛的层与层之间，形成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，且在一定程度上增强了其强化性能。
[0004] 实现本发明目的的技术方案是： 一种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺，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-钒+ 隹凡+ fL -钛+钛+钛-氮化钛的混合过渡层；混合层铁和银、银和钛、钛和氮化钛之间没有 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在固态下可以无限互溶，故 其原子存在形式为固态固溶体，最后再复合沉积纳米级的氮化钛强化层，形成结合力良好 的多层混合过渡的复合强化层。具体包括如下步骤： (1) 将金属材料基材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) 将金属材料基材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，开启真空系统，抽真空度达到极限值范围时，开启加热系统，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，对金属材料基材进行轰击 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，开启纯钒磁控靶的电源，在已沉积有纯铁纳米级 薄膜上混合沉积一层纳米级钒，此时形成的沉积层是：纯铁+铁-钒+钒的混合层； (7) 此时逐步关闭纯钒磁控把电源，开启纯钛磁控把电源，逐步形成纯铁+铁-钒+钒 +钒-钛的混合层； (8) 最后仅仅保持钛磁控祀开启，通入氮气，调整氦氮流量比，在纯铁+铁-f凡+ f凡+ 钒-钛+钛混合纳米过渡层上沉积氮化钛； (9) 沉积结束后在真空中随炉冷却至60°C以下，取出工件即可。
[0005] 步骤（1)中所述金属材料基材可以为钢铁材料、有色金属和铸铁； 步骤（3)中所述的轰击活化清洗金属材料基材表面的工艺参数为：极限真空度3X ΚΓ4 Pa?1 X l(T3Pa，工作气压(λ 1 Pa?10Pa，负偏压-400V?-800V，清理温度5(T500°C，清理 时间 10 min ?30min ; 步骤（4)中所述的极限真空度3X10_4 Pa ?lX10_3Pa，工作气压0. 4 Pa?0. 8Pa，负偏 压-50V?-500V ; 步骤（5)，（6)，（7)，（8)中所述的沉积层厚度在50 nm?100nm。
[0006] 步骤（8)中所述的氩氮流量比在1:1-4。
[0007] 本发明的创新点是：利用各种金属原子固溶度概念，寻求无限互溶且本身强度较 高的合金元素作为过渡层，采用磁控溅射在金属材料基材表面沉积纯铁+铁-钒+钒+ 钒-钛+钛混合纳米过渡层，最后沉积氮化钛形成多层混合纳米强化层，此工艺技术形成的 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，可以充分发挥表面氮化钛金属陶 瓷薄膜的耐腐蚀、耐磨损、高硬度的特点。
【具体实施方式】
[0008] 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。
[0009] 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。
[0010] 开启真空系统，抽至8Xl(T4Pa时开启加热系统，加热至200°C，再抽真空度抽至 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°C，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10分钟纯铁，之后逐步开启纯钒磁控 靶至20分钟，此时前10分钟是单纯溅射沉积纯铁，在后10分钟是铁和钒同时溅射，不同之 处是铁逐步减少溅射，钒逐步增加溅射；20分钟后，关闭铁磁控溅射靶，逐步减少钒溅射量 至30分钟，此时逐步开启钛磁控靶，至40分钟，此时已经形成铁+铁-钒+钒+钒-钛+ 钛的混合沉积过渡层。
[0011] 最后在仅开启钛磁控靶且在已经形成的铁+铁-钒+钒+钒-钛+钛混合沉积层 上反应复合沉积氮化钛层。该工艺为：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，沉积时间为30min。
[0012] 沉积结束后，在真空中随炉冷却至60°C以下，取出工件。此时工件表面已沉积上铁 +铁-钒+钒+钒-钛+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层。
【权利要求】
1. 一种金属表面沉积铁+钒+钛+氮化钛的多层混合纳米强化层的制备工艺，其特征 是：包括如下步骤： (1) 将金属材料基材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) 将金属材料基材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，开启真空系统，抽真空度达到极限值范围时，开启加热系统，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，对金属材料基材进行轰击 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，开启纯钒磁控靶的电源，在已沉积有纯铁纳米级 薄膜上混合沉积一层纳米级钒，此时形成的沉积层是：纯铁+铁-钒+钒的混合层； (7) 此时逐步关闭纯钒磁控把电源，开启纯钛磁控把电源，逐步形成纯铁+铁-钒+钒 +钒-钛的混合层； (8) 最后仅仅保持钛磁控祀开启，通入氮气，调整氦氮流量比，在纯铁+铁-f凡+ f凡+ 钒-钛+钛混合纳米过渡层上沉积氮化钛； (9) 沉积结束后在真空中随炉冷却至60°C以下，取出工件即可。
2. 根据权利要求1所述的制备工艺，其特征是：步骤（1)中所述金属材料基材为钢铁材 料、有色金属和铸铁。
3. 根据权利要求1所述的制备工艺，其特征是：步骤（3)中所述的轰击活化清洗金属材 料基材表面的工艺参数为：极限真空度3X10_ 4 Pa ?lX10_3Pa，工作气压0. 1 Pa?lOPa， 负偏压-400V?-800V，清理温度5(T500°C，清理时间10 min?30min。
4. 根据权利要求1所述的制备工艺，其特征是：步骤（4)中所述的极限真空度3ΧΚΓ4 Pa ?lXl(T3Pa，工作气压 0.4 Pa ?0.8Pa，负偏压-50V?-500V。
5. 根据权利要求1所述的制备工艺，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所述的制备工艺，其特征是：步骤（8)中所述的氩氮流量比在 1:1-4。
【文档编号】C23C14/06GK104141110SQ201410349439
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月22日 优先权日:2014年7月22日
【发明者】高原, 王成磊, 韦文竹, 陆小会, 张光耀 申请人:桂林电子科技大学