[发明专利]薄膜陶瓷强化金属表面技术

说明书

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。因此出现了以蒸发、溅射、离子镀、化学气相淀积即CVD（chemical vapour deposition）技术为代表的干法工艺。显然，沉积氮化物时，工作气体是氮（N₂），有机硅化物，有机硼化物，膦等气体。不同的有机物沉积出不同的氮化物。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。也有人制造成了陶瓷刀、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、TiN、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，它是在硬质合金基体表面先涂一层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作用，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定时，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，靠等离子体能量，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、多晶复合晶体。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4600～8600kg/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，故而存在双扩散层，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。