氮化钛铬涂层及其双层辉光等离子渗制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种金属表面镀层，特别涉及一种氮化钛铬涂层及其双层辉光等离子 渗制备方法。
【背景技术】
[0002] 双辉等离子渗金属技术在离子氮化基础上发展起来的，该技术具有优质、高效、低 耗、环保、安全等优点，经过几十年的发展在单元素渗（Cr、Ni、V、W、Mo、Zr、Al、Ti、Pt等）、 双元素共渗（W-Mo、Ni-Cr)、多元素共渗（Ni-Cr-Mo-Nb、Cr-Ni-W-Mo)以及渗金属后又渗碳 或渗氮的复合渗方面的研究取得了很大的发展，并已成功地应用于各种金属表面处理领 域。当前，绝大部分材料表面加工技术都难于胜任材料表面改性设计的要求。工业界广泛 采用的渗碳、氮化等，技术工艺成熟、可控性高，为材料表面合金化提供了有效的实施手段， 但是可应用的范围仅局限于非金属元素的合金化。双辉等离子渗金属技术原则上可以在任 何金属表面实现大部分常用元素（其中包括金属元素和非金属原）的表面冶金，适用范围 广。此外，采用的设备简单，可控性强，易于操作，是良好的材料表面设计的实施技术。
[0003] 氮化钛铬合金涂层因具有高硬度、耐磨性好、低摩擦系数、较好的导电性和耐腐蚀 性等许多优异性能，广泛用于工业制造、机械加工、装饰材料等方面，因此，氮化钛铬合金硬 质薄膜的制备倍受研究者的关注，目前形成氮化钛铬合金薄膜的主要方法有：物理气相沉 积（溅射沉积、电子束蒸发沉积等PVD方法）、化学气相沉积（CVD)、等离子体辅助化学气相 沉积（PACVD)等技术，可是，这些方法制备的氮化钛铬合金薄膜存在着一些不足，首先，它 们仅在工件表面形成镀层（沉积层），膜基结合力较差，另外这些方法大都存在环境污染问 题等，所以开发新的制备氮化钛铬合金薄膜的方法及获得多层/多元氮化钛铬合金薄膜已 成为目前研究的热点。
【发明内容】
[0004] 本发明提供一种氮化钛铬涂层，该涂层具有高的硬度、良好的耐磨性能以及耐腐 蚀性。
[0005] 本发明还提供所述氮化钛铬涂层的双层辉光等离子渗制备方法。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0007] -种氮化钛铬涂层，该氮化钛铬涂层的组成为氮化钛和氮化铬，其组成中钛、铬元 素质量比为1〇〇 :1〇~50。该氮化钛铬涂层用于金属表面冶金。
[0008] -种所述的氮化钛铬涂层的双层辉光等离子渗制备方法，利用双辉等离子渗金属 技术在低碳钢表面渗入钛、铬合金元素，再对其表面进行氮化处理制得氮化钛铬涂层。本 发明采用双层辉光等离子表面合金化技术，在铁和钢材料表面前期进行等离子渗钛、铬，形 成数十微米钛铬合金沉积层和氮化钛铬合金固溶体扩散层，后期通入氮气合成氮化钛铬合 金，最后形成梯度渗镀层，渗镀层与基体呈冶金结合，结合力较好，且能有效提高基体材料 的硬度、耐腐蚀性等，为金属材料表面处理提供新的方法。
[0009] 作为优选，该方法具体是：将不同直径的钛丝、铬丝缠绕在桶形阴极圆周上，上下 左右间隔1〇_，构成供给欲渗镀金属钛、铬的源极；再将表面经过抛光加工的低碳钢试样 置于双辉渗金属炉内，抽真空至3. 0X10 2Pa，通入保护气体氩气，依次加载阴极、源极电压 并使炉内温度上升至1000~1200°C，保温0. 5~1. 5小时，将钛、铬原子溅射出来，扩散渗 入到低碳钢试样表面，再通入纯度为99. 99%以上的氮气，进行氮化反应渗镀，制得氮化钛 络涂层。
[0010] 作为优选，所述的渗钛铬过程中，氩气气压为30Pa，钛铬板极间距为12~15mm，源 极电压为960V，阴极电压为400~650V。
[0011] 作为优选，所述的渗钛铬过程中，渗钛铬采用固体源极靶，分别为工业纯钛丝、铬 丝，钛丝和铬丝质量比为100 :1〇~50。
[0012] 作为优选，所述的氮化处理中，氩气和氮气的体积比为1 :0. 1~5. 0,混合气体的 气压为30~50Pa，氮气纯度为99. 99 %以上，氩气纯度为99. 999 %以上。
[0013] 作为优选，所述的氮化处理中，反应时间为1.5~6小时，反应温度为1000~ 1200°C，冷却时间为3~8小时。
[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果体现在如下几方面：
[0015] 本发明制得的氮化钛铬涂层，在高温下钛、铬元素与元素氮反应生成硬质的钛、铬 氮化物，氮化钛具有高的硬度、良好的耐磨性能以及耐腐蚀性。本发明制得的氮化钛铬涂 层，在渗钛铬过程中，钛铬元素与基体元素碳反应生成硬质相钛铬碳化物，氮化钛铬涂层与 基体呈冶金结合。
[0016] 本发明制得的氮化钛铬涂层，采用双层辉光离子渗金属技术处理形成的表面改性 层致密、均匀，是一种合金元素呈梯度分布的合金层，不存在一般的膜基结合问题，解决了 现有表面改性技术（物理气相沉积法、化学气相沉积法、离子注入等）制得改性层在承载条 件下开裂、剥落，使不锈钢表面易发生腐蚀的问题。本发明所述的氮化钛铬涂层，采用的设 备简单，可控性强，易于操作，适用范围广。
【具体实施方式】
[0017] 下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。应当理解，本发 明的实施并不局限于下面的实施例，对本发明所做的任何形式上的变通和/或改变都将落 入本发明保护范围。
[0018] 在本发明中，若非特指，所有的份、百分比均为重量单位，所采用的设备和原料等 均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常 规方法。
[0019] 实施例1
[0020] 将不同直径的钛丝、铬丝缠绕在桶形阴极圆周上，上下左右间隔10mm，构成供给欲 渗镀金属钛、铬的源极，其中钛丝、铬丝的质量比为100:50。将表面经过抛光加工的低碳钢 试样置于桶形阴极的中间，与丝状源极的尖端间距间距12mm，到抽真空至3. 0X10 2Pa，通 入纯度为99. 999 %的氩气，气压为30Pa，在阴极和源极上分别加入960V和400V电压，将 钛、铬原子溅射出来，同时低碳钢试样试样也被加热到l〇〇〇°C，钛、铬离子、原子和粒子到达 试样表面并被吸附，借助扩散过程渗入合金元素钛铬，当渗钛铬保温1. 0小时后，再通入纯 度为99. 99%的氮气，保持氩气和氮气体积比为1. 0:1. 0,在1000°C进行氮化反应渗镀6小 时，降温