[发明专利]一种闭合场非平衡磁控溅射制备铬铝氮薄膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种闭合场非平衡磁控溅射制备铬铝氮薄膜的方法，属高强、高硬度材料表面镀膜及应用的技术领域。

背景技术

在机械制造工业领域，使用着大量的金属材料，由于用途和要求不同，对材料的处理也不同，例如具有高强度、高硬度的工摸具及耐磨损、耐腐蚀的机械零件，都需要对其进行增强、增硬处理。

对工具、模具及机械零件的增强、增硬处理，也有多种方法，例如表面合金化，在金属材料表面渗入镍、铬、钼、硅等元素，以增强其强度、硬度；例如热处理法，在高温下改变金属的内部金相组织结构，以提高材料的硬度、强度，还有表面渗金属法，高频淬火法等。

硬质薄膜是改善工件表面耐磨性及抗高温氧化的有效途径之一，薄膜沉积技术主要包括化学气相沉积和物理气相沉积，化学气相沉积由于沉积温度高，使其在基体上的应用受到限制，物理气相沉积由于沉积温度低，可应用的基材范围广，薄膜质量易于控制，获得了广泛应用；物理气相沉积主要包括真空蒸镀和溅射沉积，溅射法生成的薄膜致密、膜基结合力好，应用较广，溅射镀膜方式有射频溅射、三极溅射和磁控溅射，磁控溅射相对其他溅射有较高的镀膜速率，磁控溅射从最初的常规磁控、平衡磁控发展到非平衡磁控，目前，非平衡磁控与多源闭合磁场结合，使真空室的等离子体密度得到提高，离子轰击效果增强，可获得更佳的镀层质量；采用闭合场非平衡磁控溅射镀膜，由于溅射条件、靶源材料、载体金属不同，溅射镀膜效果也有诸多差异和不足，还存在很多弊端，例如膜层厚度不够均衡，技术参数不稳定等。

发明内容

发明目的

本发明的目的就是针对背景技术的不足，采用闭合场非平衡磁控溅射法，在铬钨锰钢材表面进行溅射镀膜，生成铬铝氮硬质薄膜，以大幅度提高铬钨锰钢表面的硬度、强度和耐磨性。

技术方案

本发明使用的化学物质材料为：铬钨锰钢板、丙酮、氮气、氩气、铬块、铝块、去离子水、研磨粉，其组合用量如下：以克、毫升、厘米³为计量单位

铬钨锰钢板：Cr WMn 200×100×20mm 1块

铬块：Cr 720×120×6mm 2块

铝块：Al 720×120×6mm 2块

丙酮：CH₃COCH 10000ml±100ml

氮气：N₂ 100000cm³±100cm³

氩气：Ar 100000cm³±100cm³

去离子水：H₂O 10000ml±100ml

研磨粉：氧化铝600粒

闭合场非平衡磁控溅射法制备铬铝氮硬质薄膜：

(1)精选材料、化学物质

对制备所需的化学物质材料要进行精选，并进行形状、尺寸、精度、质量纯度控制：

铬钨锰钢板：CrWMn固态固体，含Cr 1.03％，W 1.3％，Mn 0.92％，Si0.29％，C 1.09％

铬块：固态固体，99.99％

铝块：固态固体，99.99％

丙酮：液态液体，99.9％

去离子水：液态液体，99.6％

氮气：气态气体，99.99％

氩气：气态气体，99.99％

研磨粉：粒径均匀

(2)机械刨切铬钨锰钢板

将200×100×20mm的铬钨锰钢板在机械铇床上刨切六面，各面垂直，表面粗糙度Ra2.5-5μm；

(3)铬钨锰钢板热处理

①高温淬火：将铬钨锰钢板置于高温热处理炉中，进行高温淬火，淬火温度为870℃，表面硬度HRC63-65，冷却介质为机油；

②低温回火，将淬火后的铬钨锰钢板置于回火炉中，回火温度为200℃，回火保温时间120min；

(4)机械磨削铬钨锰钢板

将高温淬火及回火的铬钨锰钢板用机械平面磨床磨削六面，各面垂直，表面粗糙度Ra0.08-1.6μm；

(5)研磨铬钨锰钢板

将磨削后的铬钨锰钢板，用600粒的研磨粉研磨铬钨锰钢板工作表面，表面粗糙度Ra0.02-0.04μm；

(6)超声波清洗铬钨锰钢板、铬快、铝快

将研磨后的铬钨锰钢板置于超声波清洗器中，加入丙酮2000ml，超声清洗20min，然后用去离子水清洗，晾干，放入真空室，备用；

将两个铬块置于超声波清洗器中，加入丙酮2000ml，超声清洗20min，然后用去离子水清洗，晾干，放入真空室，备用；