一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层及其制备方法与流程

1.本发明涉及一种表面渗镀层及其改性方法，更具体的，涉及一种金属制品表面改性方法。


背景技术：

2.随着装备制造业的发展，难加工材料不断涌现，对硬质合金加工部件，如不锈钢的转轴、刀具、齿轮等的要求不断提高，在切削加工中，转轴的硬度和强度直接影响加工效率、精度和表面质量，但强度和硬度两者之间总存在着矛盾，硬度高的材料强度低，而提高强度往往是以硬度的降低为代价，这种矛盾仅仅通过改变转轴材料已经无法调和。为了解决这种矛盾，一般在不锈钢转轴基体上涂覆上一层或者多层高硬度、高耐磨的材料，常规的方法有化学气相沉积(cvd)和物理气相沉积法(pvd)，利用cvd技术制备的涂层具有很好的耐磨性，但cvd工艺处理温度高，易造成转轴材料抗弯强度下降，同时薄膜内部呈拉应力状态，易导致转轴使用时产生微裂纹，并且cvd工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染，与目前大力提倡的绿色制造观念相抵触，因此自九十年代中期以来，发展和应用受到一定制约；而pvd技术工艺处理温度可控制在500℃以下，无环境影响，但镀层与基体存在一个分界层，在特殊条件如撞击、冲击等情况下，镀层容易脱落。


技术实现要素：

3.发明目的：提供一种能够使金属制品表面形成高硬度、高耐磨可控的渗层及其制备方法。
4.技术方案：本发明所述的一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层及其制备方法，包括以下步骤：
5.s1:对金属制品表面进行预处理；
6.s2:将预处理好的金属制品放置于工装套筒阴极板上，并将合金和陶瓷靶材分别固定在另一电极端，制备合金渗层；
7.s3:利用辉光等离子轰击活化不锈钢制品表面，结合磁控-辉光放电交替轰击合金和陶瓷靶材，在不锈钢制品表面获得连续超硬耐磨渗镀层。
8.其中，步骤s1中先对金属制品表面进行抛光处理，然后置于与乙醇中进行超声清洗，随后放入辉光等离子炉内对金属制品表面进行氩等离子表面清洗，氩气气压10-20pa，时间10-30min，电压250-350v。
9.步骤s2中金属制品形状不限，尺寸限于阴极工装套筒直径。通常阴极工装套筒装置，阴极圆柱形工装套筒放置于阴极结构底盘上，所述圆柱形工装套为两层结构，一层为带圆孔柱状结构，一层为空心圆筒，前者主要目的增加离化面积，可提高氩离子的离化率，直径为20-400mm，厚度为2-5mm，加工有直径为2-6mm的圆形孔，后者主要进行保温，直径为40-420mm，厚度为4-8mm，空心圆筒套于带圆孔柱状结构的外圈，并同步放置于阴极圆盘上。
10.步骤s2中合金和陶瓷靶材为alcr合金、tial合金等单一金属或多元金属冶金靶
材，陶瓷靶材为氮化物和氧化物靶材，分别固定在两个靶材电极端，分别由脉冲电源和射频电源控制。
11.步骤s3中在30～50pa氩惰性气体下对金属表面进行辉光等离子轰击活化，电压为280～400v，时间10-20min.，随后在磁场和辉光放电协同作用下，合金和陶瓷靶材可分别开启，合金靶电压为600-1000v，电流1.0-3.0a，处理工件温度为650-900℃，保温2-5小时，陶瓷靶材功率150-300w，同时通入一定量的氮气气氛以补给氮元素的消耗，氩气和氮气的比例2：1-10：1，处理温度400-600℃，不锈钢阴极制品电压为280-500v，保温3-8小时。
12.最终，步骤s3中在不锈钢制品表面获得基体与渗层元素以冶金方式形成(ti,al)(cr,ni)n连续超硬耐磨渗层，通过成分调控实现硬度在1700-3000hv间调控。
13.利用磁场协同等离子辉光放电技术使气体分子发生激化和电离，产生激化的离子，这些离子轰击源极靶材，可以以多种形式的靶材，靶材以原子、离子以及粒子团的形式溅射出来，这些活性较强的原子、离子以及粒子团，以一定的能量向不锈钢制品运动，并且吸附和沉积到基体表面，在活化与温度长联合作用下，扩散进入基体内部，使被渗基体表面形成具有高硬度和强度的合金元素层。通过二次处理，在离子轰击和热激活的作用下，分解产生的n原子被工件表面吸收并向内部扩散形成渗氮层。靶材为圆形层状靶材，内层为孔状圆筒工装，便于提升氮等离子体的解离扩散，保温罩为圆柱形不锈钢侧面开观察窗口的套筒，将阴极制件放在不锈钢保温罩中心位置，同时保证源极靶材和阴极基片之间的极间距一定，也可以避免极杆等部位产生杂质原子污染基片表面，同时在进行二次处理时，采用网格状的圆柱型套筒，增强溅射率从而达到更好的渗氮效果。
14.本发明的有益效果为：
15.本发明与现有技术相比，其显著优点是：
16.1、磁场-辉光协同作用，实现金属和非金属靶材，对金属制品表面进行冶金处理，形成高硬度高耐磨性的冶金渗层，同时可以保证多种元素及氮元素固溶作用，通过元素成分可实现硬度在1700-3000维氏硬度调控；
17.2、方法简单环保，渗层和基体结合紧密，结合强度高。
附图说明
18.图1是实施例1中金属制品表面微观图像；
19.图2是实施例1中表面改性后金属制品的表面微观图像；
20.图3是实施例1中表面改性后金属制品不同硬度的调控(a)1775hv50，(b)2231hv50，(c)3141hv50。
具体实施方式
21.实施例1
22.样品前处理：
23.(1)对sus304不锈钢制品表面进行抛光处理，然后置于与乙醇中进行超声清洗，将预处理好的不锈钢制品平放于不锈钢阴极圆盘上，在零件周围外加双层保护工装，并在另一个双源极结构上分别放置tial合金和氮化钛陶瓷靶。
24.(2)sus304不锈钢制品形状不限，尺寸限于阴极工装套筒直径。阴极工装套筒装
置，阴极圆柱形工装套筒放置于阴极结构底盘上，所述圆柱形工装套筒为两层结构，一层为带圆孔柱状圆筒，主要为了增加离化面积，提高氩离子的离化率，直径为200mm，厚度为3mm，加工有直径为2mm的圆形孔，在圆孔柱状结构外部套一空心圆筒，直径为300mm，厚度为4mm，空心圆筒套于带圆孔柱状结构的外圈，并同步放置于阴极圆盘上。
25.合金渗层制备：
26.(3)打开真空泵，将炉内抽到极限真空，充入氩气至20pa，重新抽到极限真空度，如此往复2-3次，以尽可能排除炉内的空气，充入氩气到15pa，打开冷却水，打开阴极电源并对不锈钢制品施加300v电压进行氩等离子表面清洗和活化，时间20min。
27.(4)预轰击之后阴极工件电压调至350v，将金属tial合金源极电压调整至700v，电流1.5a，使源极合金靶材和阴极不锈钢制品达到工作温度750℃，稳定各工艺参数并开始保温3个小时。
28.氮化物超硬渗镀层制备：
29.(5)氮化物渗镀层制备，在磁场和辉光放电协同作用下，开启氮化钛陶瓷靶材，调整氮氩比为2:1，功率200w，sus304不锈钢制品处理温度500℃，不锈钢阴极制品电压为450v，保温6小时。
30.(6)关闭源极电源，将气压调到20pa，将阴极电压降到200v，微辉保护降温；关闭气源和阴极电源，将炉内抽到极限真空，冷却到室温出炉。
31.(7)在不锈钢制品表面获得基体与渗镀层元素以冶金方式形成(58ti,4al)(cr,ni)10n连续超硬耐磨渗镀层，硬度为1775hv50，如图3(a)所示。
32.实施例2
33.样品前处理：
34.(1)对sus316不锈钢制品表面进行抛光处理，然后置于与乙醇中进行超声清洗，将预处理好的不锈钢制品平放于不锈钢阴极圆盘上，在零件周围外加双层保护工装，并在另一个双源极结构上分别放置tial合金和氮化钛陶瓷靶。
35.(2)不锈钢制品形状不限，尺寸限于阴极工装套筒直径。阴极工装套筒装置，阴极圆柱形工装套筒放置于阴极结构底盘上，所述圆柱形工装套筒为两层结构，一层为带圆孔柱状圆筒，主要为了增加离化面积，提高氩离子的离化率，直径为200mm，厚度为3mm，加工有直径为2mm的圆形孔，在圆孔柱状结构外部套一空心圆筒，直径为300mm，厚度为4mm，空心圆筒套于带圆孔柱状结构的外圈，并同步放置于阴极圆盘上。
36.合金渗层制备：
37.(3)打开真空泵，将炉内抽到极限真空，充入氩气至20pa，重新抽到极限真空度，如此往复2-3次，以尽可能排除炉内的空气，充入氩气到15pa，打开冷却水，打开阴极电源并对不锈钢制品施加300v电压进行氩等离子表面清洗和活化，时间20min。
38.(4)预轰击之后阴极工件电压调至350v，将金属tial合金源极电压调整至850v，电流2.0a，使源极合金靶材和阴极不锈钢制品达到工作温度780℃，稳定各工艺参数并开始保温3个小时。
39.氮化物超硬渗镀层制备：
40.(5)氮化物渗镀层制备，在磁场和辉光放电协同作用下，开启氮化钛陶瓷靶材，调整氮氩比为4:1，功率280w，不锈钢制品处理温度520℃，不锈钢阴极制品电压为450v，保温6
小时。
41.(6)关闭源极电源，将气压调到20pa，将阴极电压降到200v，微辉保护降温；关闭气源和阴极电源，将炉内抽到极限真空，冷却到室温出炉。
42.(7)在不锈钢制品表面获得基体与渗镀层元素以冶金方式形成(60ti,5al)(cr,ni)12n连续超硬耐磨渗镀层，硬度为2231hv50，如图3(a)所示。
43.实施例3
44.样品前处理：
45.(1)对sus321不锈钢制品表面进行抛光处理，然后置于与乙醇中进行超声清洗，将预处理好的不锈钢制品平放于不锈钢阴极圆盘上，在零件周围外加双层保护工装，并在另一个双源极结构上分别放置tial合金和氮化钛陶瓷靶。
46.(2)不锈钢制品形状不限，尺寸限于阴极工装套筒直径。阴极工装套筒装置，阴极圆柱形工装套筒放置于阴极结构底盘上，所述圆柱形工装套筒为两层结构，一层为带圆孔柱状圆筒，主要为了增加离化面积，提高氩离子的离化率，直径为220mm，厚度为3mm，加工有直径为2mm的圆形孔，在圆孔柱状结构外部套一空心圆筒，直径为350mm，厚度为4mm，空心圆筒套于带圆孔柱状结构的外圈，并同步放置于阴极圆盘上。
47.合金渗层制备：
48.(3)打开真空泵，将炉内抽到极限真空，充入氩气至20pa，重新抽到极限真空度，如此往复2-3次，以尽可能排除炉内的空气，充入氩气到15pa，打开冷却水，打开阴极电源并对不锈钢制品施加320v电压进行氩等离子表面清洗和活化，时间20min。
49.(4)预轰击之后阴极工件电压调至350v，将金属tial合金源极电压调整至900v，电流2.0a，使源极合金靶材和阴极不锈钢制品达到工作温度800℃，稳定各工艺参数并开始保温3个小时。
50.氮化物超硬渗镀层制备：
51.(5)氮化物渗镀层制备，在磁场和辉光放电协同作用下，开启氮化钛陶瓷靶材，调整氮氩比为8:1，功率300w，不锈钢制品处理温度550℃，不锈钢阴极制品电压为450v，保温6小时。
52.(6)关闭源极电源，将气压调到20pa，将阴极电压降到200v，微辉保护降温；关闭气源和阴极电源，将炉内抽到极限真空，冷却到室温出炉。
53.(7)在不锈钢制品表面获得基体与渗镀层元素以冶金方式形成(60ti,6al)(cr,ni)15n连续超硬耐磨渗镀层，硬度为3141hv50，如图3(a)所示。
54.图1为不锈钢制品表面形貌，可以看出，在未处理之前表面疏松，存在大量孔隙，图2为经过渗镀处理后，表面形成和基体之间的紧密结合，结合强度高，表面组织分布致密且均匀，晶粒生长情况良好，涂层质量高。同时大量球状结构分布在晶胞中，分布均匀且渗透性好，通过中间的扩散层实现了不同元素层的结合，提升了材料整体的硬度与耐磨性。图3为不同成分工艺优化，调控实现不锈钢表面硬度的调控。
55.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层及其制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：对金属制品表面进行预处理；s2：将预处理好的金属制品放置于工装套筒阴极板上，并将合金和陶瓷靶材分别固定在另一电极端；s3:利用辉光等离子轰击活化不锈钢制品表面，结合磁控-辉光放电交替轰击合金和陶瓷靶材，在金属制品表面获得连续超硬耐磨渗镀层。2.根据权利要求1所述的一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层及其制备方法，其特征在于，所述步骤s1中先对金属制品表面进行抛光处理，然后置于与乙醇中进行超声清洗，随后放入辉光等离子炉内对金属制品表面进行氩等离子表面清洗，氩气气压10-20pa，时间10-30min，电压250-350v。3.根据权利要求1所述的一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层及其制备方法，其特征在于，所述步骤s2中金属制品形状不限，尺寸限于阴极工装套筒直径。4.根据权利要求1所述的一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层及其制备方法，其特征在于，所述步骤s2中阴极工装套筒装置，阴极圆柱形工装套筒放置于阴极结构底盘上，所述圆柱形工装套为两层结构，一层为带圆孔柱状结构，一层为空心圆筒，前者主要目的增加离化面积，可提高氩离子的离化率，直径为20-400mm，厚度为2-5mm，加工有直径为2-6mm的圆形孔，后者主要进行保温，直径为40-420mm，厚度为4-8mm，空心圆筒套于带圆孔柱状结构的外圈，并同步放置于阴极圆盘上。5.根据权力要求1所述的一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层及其制备方法，其特征在于，所述步骤s2合金和陶瓷靶材为alcr合金、tial合金等单一金属或多元金属冶金靶材，陶瓷靶材为氮化物靶材。6.根据权利要求1所述的一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层及其制备方法，其特征在于，所述步骤s2中合金和陶瓷靶材分别固定在两个靶材电极端，分别由脉冲电源和射频电源控制。7.根据权利要求1所述的一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层及其制备方法，其特征在于，所述步骤s3中在30～50pa氩惰性气体下对金属表面进行辉光等离子轰击活化，电压为280～400v，时间10-20min.。8.根据权利要求1所述的一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层及其制备方法，其特征在于，所述步骤s3中在磁场和辉光放电协同作用下，合金和陶瓷靶材可分别开启，合金靶电压为600-900v，电流1.0-3.0a，处理工件温度为650-900℃，保温2-5小时。9.根据权利要求1所述的一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中在磁场和辉光放电协同作用下，开启陶瓷靶材，氮化物靶材溅射时，需要通入一定量的氮气气氛以补给氮元素的消耗，氩气和氮气的比例2：1-10：1，氮化物靶材功率150-300w，不锈钢阴极制品电压为280-500v，保温3-8小时陶瓷，不锈钢阴极制品电压为280-500v。10.根据权力要求1所述的一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中在不锈钢制品表面获得基体与渗镀层元素以冶金方式形成(ti,al)(cr,ni)n，其中ti：50-65wt％，al：3-6wt％，cr：2-5wt％，ni：2-5wt％，n：8-15wt％，fe(余)的连续超硬耐磨渗镀层，通过成分调控实现硬度在1700-3000hv间调控。

技术总结
本发明公开了一种金属表面连续超硬耐磨渗镀层及其的制备方法，包括以下步骤：S1:对一种金属表面进行预处理；S2:将预处理好的金属制品外面设置一双层阴极工装套筒，该工装套筒放置于一阴极圆盘上，并将合金和陶瓷靶材分别固定在另一电极端；S3:利用辉光等离子轰击活化不锈钢制品表面，结合磁控-辉光放电交替轰击合金和陶瓷靶材，在不锈钢制品表面获得连续超硬耐磨渗镀层。本发明中，该方法分别以高强度合金和陶瓷为靶材，对金属制品进行表面活化-扩散-生长的制备处理，通过形成含(Ti,Al)(Cr,Ni)N，其中Ti：50-65wt％，Al：3-6wt％，Cr：2-5wt％，Ni：2-5wt％，N：8-15wt％，Fe(余)的高硬度高耐磨性连续渗镀层，通过成分调控表面硬度在1700-3000HV0.05，改性方法简单，渗镀层和基层结合紧密，结合强度高。结合强度高。结合强度高。


技术研发人员：肖超贤 黄俊 李清华 吴红艳
受保护的技术使用者：昆山钴瓷金属科技有限公司
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/8/21