专利名称：一种硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，属于在金属表面处理技术领域。
背景技术：
目前，现有的技术有在双层辉光离子渗金属炉中生成Ti膜，然后通过加热与空气中的氮和氧反应，生成氮掺杂TiO2膜，这种方法的缺点是，生成的氮掺杂TiO2在金属基体上分布不均匀，而且氮和氧与钛膜反应的过程不可控制，容易出现不合格的渗镀氮掺杂TiO2膜的不锈钢工件。此外，也有利用双层辉光离子渗金属技术在不锈钢基体工件表面形成氮化钛渗镀层，再在抽成真空的马弗炉中，通入氧气与不锈钢基体工件的渗镀层发生反应，得到氮掺杂的二氧化钛渗镀层的方法。而这种技术在大批量生产时因为工件温度高，人工运输不方便，机械运输成本高，只能在工件冷却到室温时，再进行处理，而且要增加马弗炉这种设备，增加了成本，延长了生产时间。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单，生产成本低，适合批量生产的硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法。本发明采用双层辉光离子渗金属技术的工作原理，用化合物二硼化钛取代现有技术中的金属材质制成源极，直接在金属工件表面形成由二硼化钛化合物层和T1-B合金渗层构成的改性层。再将金属工件与氮气和氧气发生反应，控制加热温度在适当范围，则可在基体表面生成具有硼氮共掺杂TiO2薄膜。本发明解决上述技术问题的技术方案如下:一种硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，包括以下步骤:1)在双层辉光离子渗金属炉中，将固态化合物二硼化钛固定在源极上，金属工件放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地；2)然后将所述双层辉光离子渗金属炉内部抽至极限真空，炉内充入氩气，使气压维持在15 18Pa之间，加阴极电压至500V 600V，使金属工件进行第一次升温，升温后对金属工件表面进行离子轰击，以达到清洗和活化金属工件表面的目的。控制调节通入流量比为1:2:1的氩气、氮气和氧气的混合气体，使气压维持在35 45Pa之间，然后再调节阴极电压，同时接通源极电源，在源极与阳极间施加直流电压，在源极电压为-900 -1100V的条件下，使金属工件进行第二次升温，并在保温的条件下进行等离子渗镀钛硼，保温后再冷却到室温，即得到所述硼氮共掺杂二氧化钛薄膜。本发明的有益效果是:1、在双层辉光离子渗金属炉中，将固态化合物二硼化钛固定在源极上，金属工件放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地，进行渗镀，本发明利用了双层辉光离子渗金属技术在金属基体表面渗镀硼化钛膜，渗镀膜层与基体间具有良好的结合强度。2、通入氩气、氮气和氧气的混合气体，利用氮气和氧气与金属工件的渗镀层发生反应，金属工件不需要冷却到室温，也省去了马弗炉这种设备，设备成本降低，同时节省了电能和热能，制备时间大大缩短。3、本发明中金属工件为金属，具体为碳钢或合金钢，其加工容易，而且金属材料各种加工技术均以成熟，容易二次加工。而且在金属上制备兼有光催化和自清洁功能的硼氮共掺杂二氧化钛薄膜，可以极大地促进金属在污水处理和空气净化领域的应用。本发明中升温的具体方法:它是在一个真空容器内设置阳极、阴极(工件)，以及由欲渗合金元素组成的源极，而阳极和阴极以及阳极和源极之间各设一个直流可调压电源。当真空室抽真空并充以惰性气体达到一定工作气压后，接通两个直流电源，使阳极和阴极以及阳极和源极之间分别产生辉光放电，此即双层辉光放电现象。离子轰击使源极溅射出合金元素并奔向金属工件，而金属工件经离子轰击被加热到高温，合金元素借助于轰击和扩散渗入金属工件表面，从而形成含有欲渗金属兀素的表面合金层。工作气体中若充以适当反应气体，则可在金属工件表面形成金属化合物改性层。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进一步，所述固态化合物二硼化钛是由二硼化钛粉制成。进一步，所述固态化合物二硼化钛的形状为板状、柱状或筒状中的任意一种或几种。进一步，所述金属工件为具有T1、B固溶度的金属固体材料。优选为铁素体不锈钢或奥氏体不锈钢。所述铁素体不锈钢为在使用状态下以铁素体组织为主的不锈钢。含铬量在11% 30%，具有体心立方晶体结构。这类钢一般不含镍，有时还含有少量的Mo、T1、Nb等元素，这类钢具有导热系数大，膨胀系数小、抗氧化性好、抗应力腐蚀优良等特点。 奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni8% 10%、C约0.1 %时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、S1、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，进一步，所述极限真空为I X IO-1Pa15进一步，所述金属工件进行第一次升温后的温度为400 600°C ;所述进行离子轰击的时间为20 40min。进一步，所述调节阴极电压后的电压范围为-350 -550V。进一步，所述金属工件进行第二次升温后的温度为900 1000°C。进一步，所述保温的时间为I 5小时。
具体实施例方式以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。一种硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，包括以下步骤:
I)在双层辉光离子渗金属炉中，将固态化合物二硼化钛固定在源极上，金属工件放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地；2)将双层辉光离子渗金属炉内部抽真空至真空度为ΙΧΙΟ-lPa，炉内充入氩气，使气压维持在15 18Pa之间，加阴极电压至500V 600V，使金属工件进行第一次升温，当金属工件温度升至400 600°C时，进行离子轰击20 40min。控制调节通入流量比为1:2:1的氮气、氩气和氧气的混合气体，并使工作气压维持在35 45Pa，然后将阴极电压调至-350 -550V，同时接通源极电源，在源极与阳极间施加直流电压，在源极电压为-900 -1100V的条件下，使金属工件进行第二次升温，升温到900 IOOiTC下进行等离子渗镀钛硼，并进行保温I 5小时，保温后再冷却到室温，即得到所述硼氮共掺杂二氧化钛薄膜。以下通过几个具体的实施例以具体说明本发明。实施例1:在lCrl7 型铁素体不锈钢表面渗镀硼氮共掺杂二氧化钛薄膜:将TiB2粉压制成板状后固定在源极上，lCrl7工件放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。将双层辉光离子渗金属炉内部抽真空至真空度为I X ICT1Pa,炉内充入氩气，使气压维持在15 ISPa之间，加阴极电压至500V，使金属工件进行第一次升温，当金属工件温度升至600°C时,进行离子轰击30min。控制调节通入流量为10mL/min的氮气、20mL/min的IS气和10mL/min的氧气的混合气体，使工作气压维持在35 45Pa之间，然后将阴极电压调至-450V，同时接通源极电源，在阳极与源极间加直流电压，使源极电压为-1000V，继续使金属工件升温，至950°C进行等离子渗镀钛硼，并保温5小时后，断开源极与阴极电源，使金属工件冷却到室温，在lCrl7型铁素体不锈钢表面形成硼氮共掺杂二氧化钛薄膜。实施例2在0Crl8Ni9型奥氏体不锈钢工件表面渗镀硼氮共掺杂二氧化钛薄膜:将TiB2粉压制成柱状后固定在源极上，0Crl8Ni9工件放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。将双层辉光离子渗金属炉内部抽真空至真空度为I X ICT1Pa,炉内充入氩气，使气压维持在15 ISPa之间，加阴极电压至600V，使金属工件进行第一次升温，当金属工件温度升至400°C时，轰击金属工件表面30分钟。控制调节通入流量为15mL/min的氮气、30mL/min的IS气和15mL/min的氧气的混合气体，使工作气压维持在35 45Pa之间，然后将阴极电压调至-400V，同时接通源极电源，在阳极与源极间加直流电压，使源极电压为-900V，继续使工件升温，至1000°C进行等离子渗镀钛硼，并保温3小时后，断开源极与阴极电源，使金属工件缓冷到室温，在0Crl8Ni9型奥氏体不锈钢表面形成硼氮共掺杂二氧化钛薄膜。实施例3在双层辉光离子渗金属炉中，将TiB2粉压制成筒状后固定在源极上，金属工件放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。将双层辉光离子渗金属炉内部抽真空至真空度为I X ICT1Pa,炉内充入氩气，使气压维持在15 ISPa之间，加阴极电压至550V，使金属工件进行第一次升温，当金属工件温度升至400°C时,进行离子轰击20min。控制调节通入流量为8mL/min的氮气、16mL/min的IS气和8mL/min的氧气的混合气体，并使工作气压维持在35 45Pa之间，然后将阴极电压调至-350V，同时接通源极电源，在源极与阳极间加直流电压，在源极电压为-900V的条件下，使金属工件进行第二次升温，升温到900°C下进行等离子渗镀钛硼，保温5小时后，冷却到室温，即得到所述硼氮共掺杂二氧化钛薄膜。实施例4I)在双层辉光离子渗金属炉中，将固态化合物二硼化钛固定在源极上，金属工件放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地。2)将双层辉光离子渗金属炉内部抽真空至真空度为I X ICT1Pa,炉内充入氩气，使气压维持在15 ISPa之间，加阴极电压至500V，使金属工件进行第一次升温，当金属工件温度升至500°C时,进行离子轰击40min。控制调节通入流量为12mL/min的氮气、24mL/min的IS气和12mL/min的氧气的混合气体，并使工作气压维持在35 45Pa之间，然后将阴极电压调至-550V，同时接通源极电源，在源极与阳极间加直流电压，在源极电压为-1100V的条件下，使金属工件进行第二次升温，升温到IOOiTC下进行等离子渗镀钛硼，保温4小时后，冷却到室温，即得到所述硼氮
共掺杂二氧化钛薄膜。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、 等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)在双层辉光离子渗金属炉中，将固态化合物二硼化钛固定在源极上，金属工件放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地； 2)然后将所述双层辉光离子渗金属炉内部抽至极限真空，炉内充入氩气，使气压维持在15 18Pa之间,加阴极电压至500V 600V,使金属工件进行第一次升温,升温后对金属工件表面进行离子轰击；控制调节通入流量比为1:2:1的氩气、氮气和氧气的混合气体，使气压维持在35 45Pa之间，然后再调节阴极电压，同时接通源极电源，在源极与阳极间施加直流电压，在源极电压为-900 -1100V的条件下，使金属工件进行第二次升温，并在保温的条件下进行等离子渗镀钛硼，保温后再冷却到室温，即得到所述硼氮共掺杂二氧化钛薄膜。
2.根据权利要求1所述的硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述固态化合物二硼化钛是由二硼化钛粉制成。
3.根据权利要求2所述的硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述固态化合物二硼化钛的形状为板状、柱状或筒状中的任意一种或几种。
4.根据权利要求1所述的硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述金属工件为具有T1、B固溶度的金属固体材料。
5.根据权利要求4所述的硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述金属工件为铁素体不锈钢或奥氏体不锈钢。
6.根据权利要求1至5任一项所述的硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述极限真空为IXlO-1Pa15
7.根据权利要求1 至5任一项所述的硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述金属工件进行第一次升温后的温度为400 600°C ;所述进行离子轰击的时间为20 40min。
8.根据权利要求1至5任一项所述的硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述调节阴极电压后的电压范围为-350 -550V。
9.根据权利要求1至5任一项所述的硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述金属工件进行第二次升温后的温度为900 1000°C。
10.根据权利要求1至5任一项所述的硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，其特征在于，所述保温的时间为I 5小时。
全文摘要
本发明涉及一种硼氮共掺杂二氧化钛薄膜的制备方法，包括以下步骤1)在双层辉光离子渗金属炉中，将固态化合物二硼化钛固定在源极上，金属工件放置在阴极上，阳极接在炉壳上并接地；2)然后将所述双层辉光离子渗金属炉内部抽至极限真空，炉内充入氩气，然后接通阴极电源，在阳极与阴极间施加直流电压，并使金属工件进行第一次升温，升温后对金属工件表面进行轰击；控制调节通入氩气、氮气和氧气的混合气体，然后再调节阴极电压，同时接通源极电源，在源极与阳极间施加直流电压，使金属工件进行第二次升温，并在保温的条件下进行等离子渗镀钛硼，保温后再冷却到室温，即可。本发明工艺简单，生产成本低。
文档编号C23C14/06GK103074588SQ201310016009
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月15日 优先权日2013年1月15日
发明者王鹤峰, 李秀燕, 范爱兰, 马永, 毕精会, 唐宾 申请人:太原理工大学