专利名称：一种提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法
技术领域：
本发明属于表面改性技术领域，尤其涉及一种提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法。
背景技术：
对于钢铁材料来讲，基于其材质本身，传统上通常采用表面淬火、渗碳/氮等热处理，以及轧制等工艺来提高表面硬度，从而改善其耐磨性。另外，基于电镀、热浸镀、真空镀等各种涂镀工艺，也可在钢铁材料基体表面覆盖涂镀层来提高硬度和耐磨性。而笔者等研究发现，溅射蚀刻处理工艺也具有提高钢铁材料表面硬度和改善耐磨性的效果。溅射的基本原理是能量交换和动量传递理论，其基本工艺如下用放电电离的荷能离子如Ar+在加速电场以及束缚磁场的综合作用下，到达并轰击材料表面时，不仅使材料表面原子飞逸而出，造成表面形貌变化，还在表面层中发生离子注入、扩散、加热升温、结晶变化、结构损伤等现象。当以靶的溅射为主时，称之为溅射成膜，而以基片的溅射为主时称之为溅射蚀刻。传统上，溅射蚀刻主要用于真空成膜基材的前处理工艺和基材的微细表面加工， 前者主要是为了清洗基材表面和提高膜层与基材的结合等目的，而后者目前基本上用于半导体及电子元器件等行业，目的是利用溅射蚀刻时的表面形貌变化，制备满足特定需求的表面形貌，而不是利用蚀刻时的物理化学效应进行材质表面改性。近年来，基于上述的物理化学效应，溅射蚀刻工艺被尝试用作钢铁材料的表面改性处理技术，如日本发明JP2006097071公开了时效性金属材料的硬化处理、硬化处理装置和切削工具，其核心是对经固溶处理形成的时效金属材料进行溅射蚀刻，并生成微小表面凸起物，其还对表面进行了研磨和脱脂处理，特征是生成微小的表面凸起物，并以表面凸起物为中心进行溅射蚀刻制备方法。原专利是基于溅射蚀刻生成的微小表面凸起物而改性和形成功能性表面，凸起物的分布是离散的和随机的，且不可控的，因而不能形成致密层状的改性表面和功能性表面。
发明内容
本发明的目的是提出一种提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，适合于钢铁材料表面硬化改性，即通过对钢铁材料的溅射蚀刻，在其表面生成高硬度和优良耐磨性的薄膜。为达到上述目的，本发明的具体技术方案是，一种提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其包括如下步骤1)基材导入溅射室，溅射室内工作真空度0. 1 IOOPa ；2)通入介质气体，调节通入介质气体的压力、流量以及真空阀门的开启度，使溅射室达到并维持工作真空度0. 1 IOOPa ；3)在外加电源作用下，把介质气体电离成荷能离子，并调节电压100 2000V和电流0. OlA 5A，使溅射功率密度保持在0. 1 30W/cm2 ；4)用离子流对基材表面进行持续的溅射蚀刻处理0. 01 10h，基材表面生成高硬度和优良耐磨性的薄膜，厚度为0. 001 ΙΟΟμ m ；5)处理结束后，基材自溅射室中导出，获得溅射蚀刻改性表面。进一步，基材不必事先进行时效处理，或研磨和脱脂等前处理。步骤1)溅射室工作真空度3 20Pa。步骤2)所述的介质气体为惰性气体，如Ar2。步骤3)在外加电源作用下，把介质气体电离成荷能离子，并调节电压800 1500V 和电流0. 2 1. OA,使溅射功率密度保持在2 18W/cm2。步骤4)用离子流对基材表面进行持续的溅射蚀刻处理，0. 1 7h，，基材表面生成高硬度和优良耐磨性的薄膜厚度为0. 01 10 μ m。另外，步骤2)中，引入反应性气体如O2、或N2,流量为1 200SCCM，优选流量为 10 100SCCM，基材表面生成可提高硬度和耐磨性的金属间化合物。上述带钢处理工艺，只需把配有进出真空锁的溅射功能模块连接在连续生产线上，并且真空锁能够保证溅射所需气氛环境，此发明就能在生产现场实施。相比于日本发明JP2006-097071，本发明的优点如下1.溅射蚀刻工艺作为表面改性技术，日本发明JP2006097071仅是整个表面改性工艺中的一个独立的重要技术环节，因为处理前的金属必须先经过时效处理，而本发明是独立完整的表面改性工艺，可以直接处理未经时效处理的钢铁材料，缩短了工艺流程，降低了生产成本。因此，二者的工艺特征不同。2.溅射蚀刻工艺作为表面改性技术，日本发明JP2006097071仅限于经时效性处理过的金属材料，而没有涉及未经时效处理的钢铁材料。本发明基材是未经时效处理的，有利于降低生产成本，因此二者原料基材的初始状态不同。3.溅射蚀刻工艺作为表面改性技术，日本发明JP2006097071的基材表面是研磨态，溅射蚀刻前还需脱脂处理，而本发明的基材表面是市场化表面，溅射蚀刻前不需脱脂处理，省略了脱脂前处理工艺，降低了生产成本，因此二者原料基材的表面状态不同。4.溅射蚀刻工艺作为表面改性技术，在日本发明JP2006097071中仅只针对切削工具的表面硬化方法，本发明则侧重于对提高硬度和表面耐磨性的改善，即用溅射蚀刻技术处理如摩擦副、模具等表面，提高其耐磨性。因此，二者用途不同。5.溅射蚀刻工艺作为表面改性技术，在日本发明JP2006097071中，依靠溅射蚀刻生成的凸起物提高硬度，而在未生成溅射凸起物的区域，其硬度并没有明确，即其改性特征是基于溅射蚀刻形成的表面凸起物。而本发明的溅射蚀刻工艺及其形成的耐磨表面并未必具有溅射蚀刻形成凸起物这个显著特征，即只要溅射蚀刻处理的表面硬度和耐磨性提高即可。因此，二者形成的表面状态及特征不同。总之，本发明从工艺特征、基材和原始表面状态、工艺参数、改性后的表面状态、特征以及用途等方面，尤其是通过省略时效、研磨和脱脂等前处理工艺，缩短了整个处理工艺流程，并且生成的是表面硬化层而不是离散随机分布的凸起物等，明显区别于日本发明 JP2006097071。此外，通过本发明制备的改性表面，不是借助随机离散分布且不可控的微小凸起物，而是完整的致密表面层，使用时将更加稳定和持久。总之，尽管二者都是溅射蚀刻表面改性技术工艺，但是改性的功能单元明显不同，原专利是微小表面凸起物，而本发明是致密的溅射蚀刻表面层。本发明的有益效果1.钢铁材料经溅射蚀刻处理时，其表面层中发生了离子注入、扩散、加热升温、结晶变化、结构损伤等现象，在比如注入离子的强化作用、碳等元素向表面的扩散和富集、结晶变化导致的表面晶粒细化、结构损伤引起的类钉扎现象等综合作用下，形成了硬度高的表面层，从而提高了钢铁材料本身的耐磨性。2.在常规性介质气体如Ar2的电离荷能离子溅射蚀刻的同时，若再引入针对性的反应性气体如02、N2,更能生成金属间化合物来提高硬度和耐磨性。3.与淬火、渗碳/氮、轧制硬化等工艺形成的表面相类似，溅射蚀刻形成的表面层是在基体的基础上渐变生成的，即表面层与基体之间是无界面的，而电镀、热浸镀、真空镀等涂镀工艺形成的高硬度和优良耐磨性的表面层，其与基体之间是有界面的，即使有过渡层，不仅工艺复杂、成本高且较难实现，还在变形和摩擦等过程中表面层容易与基体剥离， 从而导致硬度降低和耐磨性失效。
图1为本发明一实施例的工艺流程图；图2为304不锈钢溅射蚀刻的表面硬度(功率密度12W/cm2 ；真空度7Pa ；蚀刻时间:6h)；图3为304不锈钢溅射蚀刻的表面硬度(功率密度3. 2ff/cm2 ；真空度12Pa ；蚀刻时间4h)。
具体实施例方式参见图1，本发明提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其包括如下步骤(1)准备市场化待处理基材(带材或板材)，基材不必固溶等时效处理，表面也不必研磨和脱脂处理；(2)带材时通过真空锁或串联在溅射室前端的开卷室把基材持续不断地导入溅射室内，板材时需自基材库或类似于基材库的进料室中取出基材并放入溅射室内，或破坏真空度打开溅射设备直接把基材放入溅射室内；(3)若是用于处理带钢的带有真空锁或串联有开卷室或闭卷室的溅射设备(简称卷式设备)时，在保持溅射室内工作真空度0. 1 lOOPa，优选3 20Pa，直接执行步骤 (7)；(4)若用于处理板材的是串联配有进料室/取料室的溅射设备(简称A型板式设备)时，只需借助进料室/取料室更换基材，溅射室真空度可持续保持在0. 1 lOOPa，优选 3 20Pa，直接执行步骤(7)；(5)若用于处理板材的是溅射室内配有基材库的溅射设备(简称B型板式设备)， 或溅射室内不配有基材库的溅射设备(简称C型板式设备)时，用真空获得系统把设备抽取到本底真空度，真空度彡1 X IO^4Pa ；(6)通入介质气体，如Ar2，调节通入介质气体的压力、流量以及真空阀门的开启度，使溅射室达到并维持在工作真空度0. 1 lOOPa，优选3 20Pa ；(7)在外加电源作用下，把介质气体电离成荷能离子，并调节电压100 2000V，优选800 1500V和电流0. OlA 5A，优选0. 2 1. OA,使溅射功率密度保持在0. 1 30W/ cm2，优选 2 18ff/cm2 ；(8)用离子流对基材表面进行持续的溅射蚀刻处理0. 01 10h，优选0. 1 7h，保证在电磁场、温度场、应力场等综合作用下，基材表面生成高硬度和优良耐磨性的薄膜，厚度为 0. 001 ΙΟΟμ ；(9)处理结束后，带材自真空锁中导出，获得溅射蚀刻改性表面；A型板式设备时， 用进料室放入待处理基材，出料室取出溅射蚀刻改性表面；B型板式设备时，基材库中的基片全部处理结束后，或C型板式设备时，单只基材处理结束后，需关闭气源和真空泵，破坏真空度并打开设备更换基片，重复下一个处理周期。下面以处理非连续带钢即板材为例加以举例进一步说明。实施例1(1)把304不锈钢板试样放入C型板式设备的溅射室内；(2)可借助烘烤及全开真空阀状态下，用真空获得系统抽取到本底真空度5 X ICT5Pa ； (3)通入Ar2气，调节通入介质气体的压力、流量以及真空阀门的开启度，使溅射室达到并维持在工作所需7Pa真空度； ⑷在外加电源作用下，把Ar2电离成荷能离子，并调节电压和电流使溅射功率密度保持在 12ff/cm2 ； (5)用离子流对钢铁材料表面进行持续6h的溅射蚀刻处理，保证在电磁场、温度场、应力场等综合作用下，钢铁材料表面生成高硬度和优良耐磨性的薄膜。(6)处理结束后， 自溅射室内取出钢铁材料。(7)经测试，如图2所示，溅射蚀刻后的硬度可提高至原来的约 4倍。实施例2按照实施例1的工艺步骤，对304不锈钢在5. 6ff/cm2功率密度和12Pa真空度下溅射蚀刻处理4h，制得的试样用纳米硬度计测试，得出的压力_位移曲线如图3所示。由图可知，加载过程中，溅射蚀刻表面(实线)是近乎直线上升，而未溅射蚀刻表面(虚线)为下凹的曲线上升，说明溅射蚀刻表面是弹性变形主导，未溅射蚀刻表面是塑性变形主导；卸载过程中，实线的残余位移较小，而虚线的较大，说明溅射蚀刻表面的硬度远高于未溅射蚀刻表面。由上述实施例可知，经溅射蚀刻处理的表面有较高的硬度，从而具有良好的耐磨性，达到了对其表面改性的目的。上述工艺中，若再通入反应性气体如02、队时，更能生成金属间化合物来提高硬度和耐磨性。
权利要求
1.一种提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其包括如下步骤1)基材导入溅射室内，溅射室内工作真空度0.1 IOOPa ；2)通入介质气体，调节通入介质气体的压力、流量以及真空阀门的开启度，使溅射室达到并维持工作真空度0. 1 IOOPa ；3)在外加电源作用下，把介质气体电离成荷能离子，并调节电压100 2000V和电流0.OlA 5A，使溅射功率密度保持在0. 1 30W/cm2 ；4)用离子流对基材表面进行持续的溅射蚀刻处理0.01 10h，基材表面生成高硬度和优良耐磨性的薄膜，厚度为0. 001 IOOym;5)处理结束后，基材自溅射室中导出，基材获得溅射蚀刻改性表面。
2.如权利要求1所述的提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其特征是，基材不必事先进行时效处理，或研磨和脱脂等前处理。
3.如权利要求1所述的提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其特征是，步骤1)溅射室工作真空度3 201^。
4.如权利要求1所述的提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其特征是，步骤2)所述的介质气体为惰性气体。
5.如权利要求1所述的提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其特征是，步骤2)所述的介质气体为Ar2。
6.如权利要求1所述的提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其特征是，步骤3) 在外加电源作用下，把介质气体电离成荷能离子，并调节电压800 1500V和电流0. 2 1.0A，使溅射功率密度保持在2 18W/cm2。
7.如权利要求1所述的提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其特征是，步骤4)用离子流对基材表面进行持续的溅射蚀刻处理，0. 1 几，基材表面生成高硬度和优良耐磨性的薄膜厚度为0. 01 10 μ m。
8.如权利要求1所述的提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其特征是，步骤2)中， 引入反应性气体如O2、或N2,流量为1 200SCCM，基材表面生成可提高硬度和耐磨性的金属间化合物。
9.如权利要求8所述的提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其特征是，所述的反应性气体流量为10 100SCCM。
全文摘要
一种提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，包括如下步骤1)基材导入溅射室内，溅射室内工作真空度0.1～100Pa；2)通入介质气体，使溅射室达到并维持工作真空度0.1～100Pa；3)在外加电源作用下，把介质气体电离成荷能离子，并调节电压100～2000V和电流0.01A～5A，使溅射功率密度保持在0.1～30W/cm2；4)用离子流对基材表面进行持续的溅射蚀刻处理0.01～10h，基材表面生成高硬度和优良耐磨性的薄膜，厚度为0.001～100μm；5)处理结束后基材自溅射室中导出，基材获得溅射蚀刻改性表面。本发明方法在钢铁材料表面形成高硬度和优良耐磨性的薄膜。若再引入反应性气体，更能生成金属间化合物来提高硬度和耐磨性。
文档编号C23C16/50GK102199762SQ201010133790
公开日2011年9月28日 申请日期2010年3月26日 优先权日2010年3月26日
发明者张清廉 申请人:宝山钢铁股份有限公司