[发明专利]钢铁、钛合金低温脉冲离子氮碳共渗及阴极电弧离子镀M/MN交替镀厚膜工艺

摘要

一种钢铁、钛合金低温脉冲离子氮碳共渗及阴极电弧离子镀M/MN交替镀厚膜工艺，属于材料表面技术领域。其特征是工件3经冷轧或冷拔成型进行消除应力退火；制备工件表面耐磨层的硬度呈缓和过渡分布的氮碳共渗层+M/MN交替复合厚膜层，防止镀膜脱落；改性层与离子镀M膜层之间形成1～3μm厚度的过渡层，提高镀膜附着性；离子镀M与MN交替镀膜，离子镀M镀膜能部份吸收MN镀膜内应力，镀膜不易脱落；本发明的效果和益处是解决钛合金硬度不高耐磨性不足；取代电镀硬铬，对环境旡汚染，对人体无害；应用面很广泛如模具、机床零部件、矿山机械、机车、活塞环等。

主权项

一种钢铁、钛合金低温脉冲离子氮碳共渗及阴极电弧离子镀M/MN交替镀厚膜工艺，制备工件表面耐磨层的硬度呈缓和过渡分布的氮碳共渗层+M/MN交替复合厚膜层；M代表Cr、或Ti、或Al、或CrTiAl，N代表氮气,MN代表CrN、或TiN、或AlN、或CrTiAlN，其特征是：1).工件(3)经冷轧或冷拔成型及工件形状複杂易变形，进行消除应力退火；2).制备工件表面耐磨层的硬度呈缓和过渡分布的氮碳共渗层+M/MN交替复合厚膜层；复合厚膜层硬度及膜层厚度分布为：工件(3)基材硬度为300～200Hv，脉冲氮碳共渗后制备改性层硬度可达400～1100Hv，厚度40～150μm,阴极电弧离子镀MN镀层硬度1300～2000Hv，厚度20～80μm,可防止镀膜层崩落；3).制备过渡层，改性层与离子镀M膜层之间形成1‑3μm,厚度的过渡层提高镀膜附着性；4).阴极电弧离子镀M与MN交替镀膜，阴极电弧离子镀M镀膜部份吸收MN镀膜内应力，减少工件不变形，通过阴极电弧离子镀M厚度调节膜层硬度；5).工件(3)在镀膜完成炉冷时350℃～450℃保温2.5～4h，充分消除镀膜过程中产生应力，待炉温降至80℃出炉；具体工艺步骤为：步骤一：工件(3)材质为钢铁或钛合金，经抛光超声波清洗烘干后，装入真空室(1)中；步骤二：抽真空真空室(1)抽真空(4)，真空度达到1～3×10‑4Pa；步骤三：工件(3)加热工件(3)加热表面清除油污及活化，对工件(3)经冷轧或冷拔成型及工件形状複杂易变形进行消除应力退火，减少工件变形，开动加热装置(8)，工件(3)加热由室温加热至350℃～450℃，缓慢加热防止工件(3)在加热过快产生应力，对工件(3)经冷轧或冷拔成型及形状极其複杂进行350℃～450℃保温2.5‑4h消除应力退火；步骤四：低温脉冲离子氮碳共渗制备改性层工件(3)表面整体硬度呈缓和过渡,可减少离子镀MN镀膜时间，又可防止镀膜层崩落，真空室(1)真空度调至50～70Pa,通入氨气(9)，关闭氩气(7)，真空度调至800Pa～1.6KPa,开通脉冲氮碳共渗电源(6),工件(3)施加300～400V,工件(3)起辉,通入丙酮、或乙醇、或丙烷、或CO2(9),丙酮流量与氨气或N2+H2流量比为1:9,真空度400～800Pa，工件(3)温度350℃～500℃，保温电压400V～900V,脉冲时间1.5～2.5min，保温时间2～8h；步骤五：工件(3)溅射清洗进一步清除工件(3)表面不洁净物质，通入氩气(7)，真空度调至1～5Pa，开动脉冲负偏压电源(5)，工件(3)上施加电压‑1000V，占空比20％～30％，工件(3)温度350℃～450℃,溅射清洗时间10～20min；步骤六：制备过渡层阴极电弧源屏蔽板打开，改性层与离子镀M膜层之间形成1～3μm厚度的过渡层，提高镀膜附着性，真空室(1)抽真空(4)，通入氩气(7)，真空度调至(3～5)×10‑1Pa，开动阴极电弧源(2)电流为100A～200A,电压20V，M原子沉积在工件(3)表面上，开动脉冲负偏压电源(5)，工件(3)施加电压‑200V，占空比10～30％，时间1～2min→‑400V占空比10～30％时间1～2min→‑600V占空比10～30％时间1～2min→‑(800～1500)V占空比10～30％时间8～15min→‑300V占空比10～30％时间2～4min,工件(3)温度350℃～450℃；步骤七：阴极电弧离子镀MN通入氮气(7)，真空度调至1～5Pa，开动阴极电弧源(2)电流为100A～200A,电压20V，从靶材上喷射出高能粒子M与氮离子(N+)相互作用形成MN沉积在工件(3)表面上，开动脉冲负偏压电源(5)，工件(3)施加电压‑100V‑300V，占空比30％～70％，镀膜时间20～50min，工件(3)温度350℃～450℃.停止送入氮气；步骤八：阴极电弧离子镀M与MN交替镀膜1.阴极电弧离子镀M镀膜离子镀M镀膜部份吸收MN镀膜时产生应力,减少工件变形，镀膜不易脱落，又可通过离子镀M厚度调节膜层硬度真空室(1)真空度调至在(3～5)×10‑1Pa,通入氩气(7)，开动阴极电弧源(2)电流为100A～200A,电压20V，从阴极电弧源(2)靶材上溅射出高能量粒子M，沉积在工件(3)表面上，开动工件脉冲负偏压电源(5)，工件(3)施加电压‑100V～‑300V，占空比20％～70％，镀膜时间0～10min,工件(3)温度350℃～450℃，停止通氩气；2.阴极电弧离子镀MN通入氮气(7)，真空度调至1～5Pa，开动阴极电弧源电源(2)电流为100A～200A,电压20V，从靶材上喷射出高能粒子M与氮离子(N+)相互作用形成MN沉积在工件(3)表面上，开动脉冲偏负压电源(5)，工件(3)施加电压‑100V～‑300V，占空比30％～70％，镀膜时间20～60min，工件(3)温度350℃～450℃,停止送入氮气，阴极电弧离子镀M与MN交替镀膜次数由镀膜工艺要求而定；步骤九：阴极电弧离子镀MN，通入氮气(7)，真空度调至1～5Pa，开动阴极电弧源电源(2)电流为100A～200A,电压20V，从靶材上喷射出高能粒子M与氮离子(N+)相互作用形成MN沉积在工件(3)表面上，开动工件(3)脉冲偏负压电源(5)，工件(3)施加电压‑100V～‑300V，占空比30％～70％，镀膜时间60～120min，工件(3)温度350℃～450℃,停止送入氮气；步骤十：炉冷对易变形工件(3)可在350℃～450℃保温2.5～4h，充分消除镀膜过程中产生应力，待炉温降至80℃出炉；步骤十一：质量检查，合格入库。