专利名称：薄膜陶瓷强化金属表面技术的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种薄膜制造技术，特别是一种BN-SIN薄膜陶瓷强化金属表面的技术。
薄膜陶瓷比一般精细陶瓷具有更好的耐高温、耐氧化、耐腐蚀和耐磨性以及更高的硬度、强度和韧性。因此在工业领域中，特别是在机械工业中的刀具、工模具、齿轮、轴承等易损基础件，以及航天、原子能工业、纤维涂层、电子元件、光学零件和各种汽轮机上，都得到了广泛的应用，已成为高技术产业的主要材料。
国内外制膜技术发展很快，制膜方法也很多。对磨损大的机械产品零部件，常采用较为简单的镀铬Cr、镀Ni-P为代表的湿化工艺。因电镀工艺有毒，对环境污染大，且对耐磨性能要求高的涂件，这种方法又远不能满足要求。因而出现了以蒸发、溅射、离子镀、化学气相淀积即CVD(chemicalvapourdeposition)技术为代表的干法工艺。在要求耐高温、耐磨、涂层厚的场合，则反应性离子镀是一种较为合适的方法，而一般涂复钛(Ti)或氮化钛(TiN)，其耐磨性不高，附着力弱，薄膜易脱落。也有人制成了陶瓷刀、中子处理刀等，但造价太昂贵，不宜在工业生产中广泛应用。
目前多采用离子镀。一般镀TiN(氮化钛)、TiC(碳化钛)、Al2O3(氧化铝)等有代表性的氮化物、碳化物。如合金刀具上采用TiC、TiC、Al2O3三层结构，且Al2O3要镀多层，以解决韧性问题。即与金属结合靠TiC，耐磨靠TiN，韧性靠Al2O3。但这种工艺过程复杂，硬度也不很高。也有人正在研究应用等离子复合钢结硬质合金时效强化技术，以提高硬度。但该工艺使用超高温(40000°K～10000°K)等离子喷涂技术，将涂复材料喷焊在钢件表面，有一定局限性，镀件往往是工模具。
迄今，经过检索未发现有BN-SiN薄膜陶瓷并将其应用于强化金属表面。最近日刊“机械工艺师”1989.No3.P50，刊登了“高速车削用新涂层刀片”AC105，它是在硬质合金基本表面先涂一层TiC，再涂一层Al2O3，最后涂一层TiN。用于切削铸铁时，f(mm/rev)为0.35～0.63(每转切削量)。而本发明的薄膜陶瓷镀层刀片，则f(mm/rev)为1.2～2.1。
本发明的目的是提供一种BN-SiN薄膜陶瓷强化金属表面的新技术。它包括BN-SiN复合薄膜陶瓷材料和这种复合材料在金属表面的镀复工艺。本发明的BN-SiN薄膜陶瓷镀复材料能与金属结合，且能在金属表面起改性信用，从而达到强化金属表面，提高其表面硬度、韧性，且具有耐磨、抗腐蚀等性质。
本发明的设计思想是由BN-SiN构成的薄膜陶瓷，不仅薄膜本身是由微晶与非晶体组成，当其尺寸小到一定程度时就会出现新的特性并且它与金属相结合时会发生一些表面、界面现象，利于金属表面改性，从而达到本发明的目的。
本发明首次采用了低温等离子体CVD技术，即低温P-CVD，按“气体+气体→固体”反应原理，靠等离体能量，在不管是基体材质不同、形状大小或复杂与否的金属表面一次合成出BN-SiN复合薄膜陶瓷并完成在金属表面的镀复。要解决镀复材料与金属的结合问题。必须解决附着力、应力、膨胀系数等问题。要达到金属表面改性的目的，镀复材料必须是功能薄膜。BN-SiN薄膜陶瓷是一种中性陶瓷薄膜，是非晶、微晶、多晶复合体。晶体中有C-BN相(立方晶体)、h-BN相(六方晶体)。因C-BN是立方晶体结构，即金刚石结构，它的显微威氏硬度为1600～8600kg/mm2。SiN晶体显微威氏硬度为2600～4000kg/mm2。故BN-SiN薄膜中的几种成分、结构，保证了所需的硬度，并可按所需耐磨程度改变微晶晶粒的数量、尺寸及分布。因BN-SiN薄膜中有非晶，有它们的网络，纤维状结构，可控制这一网络、纤维状结构，以保证薄膜有合适的韧性，通过控制薄膜中分散相的结构、结晶形式来调整硬度、应力和膨胀系数。由于BN-SiN薄膜中B、N易向金属(如Fe)中扩散，而金属原子(如Fe)又会向BN-SiN薄膜中扩散，故而存在扩散层，其中有Fe-N键、Fe-B键、B-N键等等。这就较好地解决了附着力这一问题。
本发明的BN-SiN薄膜陶瓷强化金属表面技术，工艺简单，薄膜的生长温度低，易控制，且不受镀件材质、形状和镀复位置的限制;又省能，费用低。BN-SiN薄膜陶瓷具有超硬度、耐高温、抗腐蚀、附着力强、导热性好，光洁度高。对金属表面尤其起到强化的作用，使基础件用材水平有显著提高，平均使用寿命提高一倍以上。
下面结合附图
对本发明作进一步描述。
附图是薄膜陶瓷淀积设备示意图。
图中，1是反应室，2是玻璃钟罩，3是气体喷嘴，4是上电极板，5是衬底(加工件)，6是下电极板，7是加热器，8是高频电源。
参照附图，把经用有机溶剂(三氯化乙烯或丙酮)清洁处理的金属加工件放入反应室(1)中平行板电极的下电极板(6)上。上电极板(4)和下电极板(6)上开有许多小孔，极板间距离即淀积空部可调。闭合玻璃钟罩(2)，抽真空至3×10-2～10-2托。通入99.99%的高纯氮气N2或氩Ar(载流气体)。加热衬底(5)，温度为150～750℃。稍停，即可开启高频电源(8)，使上下极板(4和6)对淀积空间进行放电，放电形式为辉光放电。高频电源(8)频率为13.56MHz，功率约80～200W。预处理时间为20～45分钟。通入工作气体(反应气体)硅烷(SiH4)和硼烷(B2H6)，流量比(SiH4∶B2H6)为1∶1～1∶3。其硅烷(SiH4)由氩(Ar)或氮(N2)稀释，稀释浓度一般小于10%硼烷(B2H4)由氩(Ar)或氮(N2)稀释，稀释浓度为2%。氮(N2)或氩(Ar)、硅烷(SiH4)和硼烷(B2H6)三种气体分别有管道(最好是不锈钢，铜管亦可)与钢瓶相连，并各自由针阀控制。然后汇成一路，通往反应室(1)与喷嘴(3)相通。气流的喷射方向可以是平行方向(与电极间电场平行)也可以是垂直方向(与电极间电场垂直)。反应室工作总气压范围为1～10-1托。工作时间由所需薄膜厚度而定，一般要数小时。放电完毕，先关高频电源(8)的高压，再关低压。待降温后，通过放气阀放大气于反应室(1)中，放气完毕，即可开启玻璃钟罩(2)，取出加工件。
对于镀复大和金属加工件，当被加工件具有2cm以上宽的法兰边或有2cm以上宽的边缘且法兰边或边缘的表面粗糙度在6.3以上时，则被加工件本身就可做为反应室(1)的一个组成部分，并且为放电电极的一个极板。电极部分和进气系统等仅稍需改动即可，工作原理仍一样。
权利要求
1.一种制造薄膜陶瓷强化金属表面技术，其特征是(1)用低温等离子体化学气相淀积(P-CVD)法一次合成出BN-SiN复合薄膜陶瓷；(2)其工艺过程是将金属加工件(5)放入反应室(1)中的电极板(6)上，反应室(1)经过抽真空，通入氮(N2)或氩(Ar)、硅烷(SiH4)、硼烷(B2H6)三种气体，加热加工件(5)，高频电源(8)使上下电极极板(4和6)对淀积空间进行辉光放电，预处理等步骤。一次合成出BN-SiN复合薄膜陶瓷并同时完成在金属加工件(5)表面的镀复。
2.按权利要求1所述的薄膜陶瓷制造技术，其特征是反应室(1)工作总气压范围为1～10-1托。
3.按权利要求1所述的薄膜陶瓷制造技术，其特征是反应室(1)中的工作气体硅烷(SiH4)的硼烷(B2H6)，其流量比为1∶1～1∶3。
4.按权利要求1或3所述的薄膜陶瓷制造技术，其特征是硅烷(SiH4)由氩(Ar)或氮(N2)稀释，稀释浓度小于10%;硼烷(B2H6)由氩(Ar)或氮(N2)稀释，稀释浓度为2%。
5.按权利要求1所述的薄膜陶瓷制造技术，其特征是高频电源(8)的频率为13.56MHz，功率为80～200W。
6.按权利要求1所述的薄膜陶瓷制造技术，其特征是衬底(5)加热温度为150～750℃。
7.按权利要求1所述的薄膜陶瓷制造技术，其特征是预处理时间为20～45分钟。
8.按权利要求1所述的薄膜陶瓷制造技术，其特征是对于镀复大的金属加工件，当被加工件具有2cm以上宽的法兰边且法兰边的表面粗糙度在6.3以上时，则被加工件本身就可做为反应室(1)的一个组成部分并且为放电电极的一个极板。
9.按权利要求1所述的薄膜陶瓷制造技术，其特征是对于镀复大的金属加工件，当被加工件具有2cm以上宽的边缘且其边缘的表面粗糙度在6.3以上时，则被加工件本身就可做为反应室(1)的一个组成部分并且为放电电极的一个极板。
全文摘要
本发明公开了一种BN-SiN薄膜陶瓷强化金属表面的技术。用低温P-CVD法，靠等离体能量，在不管是基体材质不同、形状大小或复杂与否的金属表面一次合成BN-SiN薄膜陶瓷并完成镀覆。其工艺简单，薄膜生长温度低，省能，易控制，且不受被加工件材质、形状和镀覆位置的限制。BN-SiN薄膜陶瓷具有超硬度、耐高温、抗腐蚀、附着力强、导热性好、光洁度高等特点。
文档编号C23C16/34GK1045816SQ8910351
公开日1990年10月3日 申请日期1989年5月27日 优先权日1989年5月27日
发明者汪树成 申请人:合肥工业大学