[发明专利]一种防腐耐磨铁基非晶薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于非晶薄膜领域，更具体地，涉及一种防腐耐磨铁基非晶薄膜及其制备方法。

背景技术

铁基非晶合金自从被发现以来，以其高强度、优异的软磁性能、良好的耐磨、耐腐蚀性等特点而备受关注。然而，铁基非晶合金室温塑性较差，且大尺寸铁基非晶合金较难制备，其作为结构材料的应用受到了限制。而将非晶合金制作成薄膜材料则能充分利用非晶材料优异的表面性质，可用于航空航天、电子数码与家电等3C产品的表面，起到防腐蚀与耐磨损作用，因此，铁基非晶薄膜具有巨大的工业应用前景。

铁基非晶薄膜主要利用非晶材料防腐耐磨性能，而含有钝化元素Cr或Mo等的多元铁基非晶材料相对于组元较少(组员成分不多于四种)的其他非晶体系的防腐耐磨性能更好，但是多组元成分的铁基非晶材料的制备较为困难，这主要因为其成分体系相对复杂，含有类金属元素，不容易熔炼均匀，从而导致材料开裂。

虽然磁控溅射是制备非晶薄膜常用的方法，其具有设备简单，操作方便、工艺稳定以及薄膜厚度精确可控等优点，但是，对于多组分的非晶材料，尤其是组元成分不少于五种的铁基非晶材料，采用磁控溅射方法较难制备，这是因为磁控溅射需要使用靶材，靶材溅射具有两种形式，一种是多块单质金属靶材共溅射，但是这种工艺仅适用于二元或三元合金体系薄膜的制备，且存在薄膜成分不容易控制的问题；另一种形式为单一合金靶材，即组元成分不少于五种的非晶材料作为靶材，这种方式可以控制薄膜的成分和厚度，但是其组元成分复杂，存在靶材制备困难的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种防腐耐磨铁基非晶薄膜及其制备方法，其目的在于提供一种组元成分不少于五种的铁基非晶薄膜，具有优异的防腐耐磨性能，并提供采用单一合金靶材的磁控溅射方法制备该非晶薄膜的方法，由此解决现有技术中难以制备多组元铁基非晶薄膜的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种防腐耐磨铁基非晶薄膜，其特征在于，其包括的成分及该成分的原子百分比含量分别为：14.0～22.0at.％Cr，6.0～16.0at.％Mo，4.0～7.0at.％B，4.0～20.0at.％C，0.0～3.0at.％W以及余量的Fe，元素W的原子百分比含量优选为1.0～3.0at.％。

进一步的，铁基非晶薄膜厚度为50nm～3um，其为单相非晶结构。

按照本发明的另一方面，还提供一种制备如上所述的防腐耐磨铁基非晶薄膜的方法，其特征在于，采用单一靶材的磁控溅射方法制备，具体的包含以下步骤：

S1：制备靶材：采用分别含有Fe，Cr，Mo，C，B和W等元素的合金按一定配比制备成如上所述成分的单一合金靶材；

S2：选择与处理衬底：选择玻璃片、Si基片、金属材料、塑料中的一种为衬底材料，将衬底表面进行平整化处理以使其光滑，然后依次经过丙酮、酒精和去离子水清洗，最后吹干待用；

S3：进行磁控溅射：所述磁控溅射的参数为，背景真空度值不高于5x10^-4Pa，功率为30～200W，靶基距为40～100mm，保护气体氩气的气压为0.2～6.0Pa，衬底温度为298K～323K，溅射时间为2～120min，即可获得防腐耐磨铁基非晶薄膜。

进一步的，所述步骤S1中，先将分别含有Fe，Cr，C，B元素的合金进行预炼以获得块状锭子，再将所述块状锭子与含有Mo的合金或/和含有W的合金进行冶炼以制备靶材，采用该分步冶炼的工艺可以有效防止靶材开裂。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案能够取得下列有益效果：

1、本发明中铁基非晶薄膜具有至少五种组元，相比三组元的铁基非晶材料，其结构致密，具有很高的硬度、优异的耐腐蚀、抗磨损等特性，与市售的304不锈钢相比，其耐磨性提高3倍以上，在NaCl溶液中的耐腐蚀性提高10倍以上。

2、本发明中采用单一靶材的磁控溅射方法制备铁基非晶薄膜，只需普通的水冷即可获得超高冷却速率，非晶结构形成容易，且可灵活调控非晶薄膜的厚度，工艺可操作性强，制造成本低。

附图说明

图1(a)是本发明实施例中铁基非晶薄膜表面的扫描电镜图；

图1(b)是本发明实施例中铁基非晶薄膜横截面的扫描电镜图；

图2是本发明实施例中铁基非晶薄膜表面的X射线衍射图；

图3(a)是本发明实施例中铁基非晶薄膜的透射电镜图；

图3(b)是本发明实施例中铁基非晶薄膜的电子衍射图；

图4是本发明实施例铁基非晶薄膜与304不锈钢的压痕硬度对比图；