/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种化N/化/SIsNa/化多层耐磨损耐腐蚀一体化薄膜材料及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 众所周知，与TiN薄膜相比，物理气相沉积化N薄膜具有更高的显微硬度、初性和 更好的耐腐蚀性能。但是CrN薄膜在表面工程领域的应用仍然存在较大局限性。该主要是 因为受到物理气相沉积技术特点的影响，化N薄膜一般均含有针孔、微裂纹等组织缺陷，此 类缺陷易于形成应用环境中侵害介质到达基体材料的"通路"。当基体材料由点蚀发展到严 重腐蚀时，基体材料表面化N薄膜就会发生剥落失效。因此，对于易镑蚀金属基体材料，W 及盐雾、高温高湿等苛刻环境条件，&N薄膜的应用都存在较大的局限性。目前，已有研究 结果表明制备超厚化N (> 10 ym)薄膜可W较大程度降低贯穿膜层的组织缺陷的形成，从 而提高&N薄膜对基体材料的耐腐蚀防护性能。但是制备超厚&N薄膜仍然存在W下主要 缺点：（0较大薄膜厚度会改变基体零部件结构尺寸，从而引起相关零部件装配、晒合及运 转精度等一系列参数变化。因此超厚CrN薄膜不适用于精密机械部件，如精密轴承滚珠、精 密齿轮W及精密阀口等组件表面的耐磨损耐腐蚀防护；（2)制备超厚薄膜对薄膜制备设备 可靠性及技术稳定性提出了更高的要求，同时也会增加薄膜制备成本。因此，制备薄的耐磨 耐蚀薄膜对发挥化N薄膜优异性能，扩大其适用范围，进一步开发该类薄膜材料的应用潜 能意义重大。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种化N/化/SisN/化多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方 法。
[0004] -种化N/化/SigN/化多层耐磨耐蚀薄膜材料，其特征在于该薄膜材料由化、Si和 N H种元素构成，薄膜呈现出共4层的多层结构，从基体材料表面到多层薄膜表面，多层薄 膜依次为化层、非晶SisN4层、致密化层和化N层；所述的金属基体材料选自碳钢或合金 钢。
[0005] 本发明所述的薄膜材料，其中化层厚度为0. 1~0.5 ym，非晶SisN4层厚度为 0. 1~0. 4 y m，致密化层厚度为0. 1~0. 3 y m，化N层厚度为0. 5~1 y m ;薄膜总厚度为 0. 8 ~2. 2y m。
[000引一种化N/化/SisV化多层耐磨耐蚀薄膜材料的制备方法，其特征在于通过磁控 姗射方法在辉光等离子体环境中沉积制备，具体步骤为： 步骤一、祀材制备及安装 1) 化祀的制备；把化锭加工成。60~90mm，厚度为4~7mm的圆柱形革己； 2) 多晶Si祀的制备：把Si物料直接模压成060~90mm，厚度为4~7mm的圆柱形 祀； 3)将化祀和多晶Si祀分别安装在磁控姗射锻膜装置祀座，并分别连接磁控姗射电 源； 步骤二、安装准备锻膜基体材料 将洁净的准备锻膜的金属基体材料装入锻膜真空室，将基体材料锻膜表面与化及Si 祀材之间的祀距调整至60~100mm ; 步骤H、离子轰击处理 将锻膜真空室抽真空至本底气压《6Xl(T3Pa，然后充入高纯氮气，气压至2.0~ 6. OPa，离子轰击功率0. 2~1 W/cm2,离子轰击处理时间为10~30min ; 步骤四、姗射锻膜 沉积化层；向真空室充入氮气至气压为5 X 10-1~2. 0 Pa,对化祀通电，调节化祀电 压为250~400 V，电流1. 2~1. 5 A，基体材料偏压-50~-200V，实施化底层沉积； 沉积非晶SisN4层：关闭化祀，通入氮气气压至2. 0~3. OPa，对Si祀通电，调节Si祀 电压为250~450 V，电流1. 2^1. 5A，基体材料偏压-50~-200V，实施非晶SisN4层沉积； 对非晶SisN4层氮离子轰击处理；在非晶SisN4层沉积完成后，关闭Si祀，关闭氮气。将 氮气气压提高至2. 0~6. 0 Pa,将基体材料偏压提高至-500V~-1000V，对非晶SisN4层进 行氮离子轰击处理，轰击时间为10~30min ; 沉积致密化层：将氮气气压重新调整至5Xl(ri~2.0 Pa,基体材料偏压调整 至-50~-200V，对化祀通电，调节化祀电压为250~400 V，电流1. 2~1. 5 A，实施致密 Cr层沉积； 沉积&N层；在致密&层沉积完成后，维持&祀电压、电流、氮气气压W及基体材料偏 压不变，并直接通入氮气，至气压2. 0~3. OPa，沉积化N层，化N层沉积完成后，关闭化祀 电源。锻膜结束后，锻膜基体材料在锻膜真空室内自然冷却至室温，得到化N/化/Si/化多 层耐磨耐蚀薄膜材料。
[0007] 本发明的关键在于所有锻层均在常温条件下制备，低沉积温度条件保证了 SisN4 层形成致密的非晶体结构。在非晶SisN4层沉积完成后，对非晶SisN4层进行氮离子轰击处 理，该处理步骤可W对非晶SisN4层表面形成姗射刻蚀作化造成非晶SisN4层表面粗趟度增 加，而粗趟的非晶SisN4层会进一步提高后续化层沉积时的形核密度，达到化层W小晶粒 高致密度方式生长，从而沉积形成致密化层。
[0008] 本发明所述的金属基体材料选自碳钢或合金钢。
[0009] 本发明金属化纯度大于99 wt 〇/〇。
[0010] 本发明Si纯度大于99 wt 〇/〇。
[0011] 本发明工作氮气纯度大于99. 9 wt %。
[0012] 本发明工作氮气纯度大于99.9 wt %。
[0013] 本发明的薄膜材料具有多层结构，表面CrN层可为薄膜提供高硬度和良好的耐磨 损性能，致密化层和非晶SisN4层可W打断和封闭薄膜中的组织缺陷，避免贯穿膜层的针孔 和微裂纹形成，从而使多层薄膜整体获得对基体材料良好的耐腐蚀防护性能。Cr层可W降 低多层薄膜与基体材料之间的应力，有效提高多层薄膜承载能力和膜-基结合强度。
[0014] 本发明薄膜不仅具备传统&N薄膜高硬度、高化学惰性的特点，同时具备良好的 耐腐蚀防护性能，适用于各类金属基体材料，包括易于镑蚀金属材料的表面抗磨损耐腐蚀 防护，也适用于盐雾、高温高湿等苛刻应用环境。该薄膜采用多层化结构设计，特别是通过 引入非晶SisN4层，其诱发形成致密化层，产生打断和封闭贯穿薄膜的组织缺陷的结构效 应，从而克服了传统化N薄膜适用环境及适用基体材料受到局限的缺点，实现了化N基薄膜 耐磨损和耐腐蚀功能一体化。
[0015] 该发明薄膜具备W下具体性能： 薄膜具备> 15GPa硬度； 薄膜耐腐蚀防护性能：W 45钢为基体材料，锻膜试样在温度30 + 3 C，相对湿度 65 ± 5%RH条件下胆存72h，试样无镑蚀； 薄膜与钢基体结合强度：采用划痕试验法检测薄膜与钢基体的结合强度，临界载荷 Lc > 30N ; 薄膜承载能力；表面垂直加载1838N，用40倍显微观察，本发明薄膜不破裂不剥落。
【具体