[发明专利]一种提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法

说明书

技术领域

本发明属于表面改性技术领域，尤其涉及一种提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法。

背景技术

对于钢铁材料来讲，基于其材质本身，传统上通常采用表面淬火、渗碳/氮等热处理，以及轧制等工艺来提高表面硬度，从而改善其耐磨性。另外，基于电镀、热浸镀、真空镀等各种涂镀工艺，也可在钢铁材料基体表面覆盖涂镀层来提高硬度和耐磨性。而笔者等研究发现，溅射蚀刻处理工艺也具有提高钢铁材料表面硬度和改善耐磨性的效果。

溅射的基本原理是能量交换和动量传递理论，其基本工艺如下：用放电电离的荷能离子如Ar+在加速电场以及束缚磁场的综合作用下，到达并轰击材料表面时，不仅使材料表面原子飞逸而出，造成表面形貌变化，还在表面层中发生离子注入、扩散、加热升温、结晶变化、结构损伤等现象。当以靶的溅射为主时，称之为溅射成膜，而以基片的溅射为主时称之为溅射蚀刻。

传统上，溅射蚀刻主要用于真空成膜基材的前处理工艺和基材的微细表面加工，前者主要是为了清洗基材表面和提高膜层与基材的结合等目的，而后者目前基本上用于半导体及电子元器件等行业，目的是利用溅射蚀刻时的表面形貌变化，制备满足特定需求的表面形貌，而不是利用蚀刻时的物理化学效应进行材质表面改性。

近年来，基于上述的物理化学效应，溅射蚀刻工艺被尝试用作钢铁材料的表面改性处理技术，如日本发明JP2006097071公开了时效性金属材料的硬化处理、硬化处理装置和切削工具，其核心是对经固溶处理形成的时效金属材料进行溅射蚀刻，并生成微小表面凸起物，其还对表面进行了研磨和脱脂处理，特征是生成微小的表面凸起物，并以表面凸起物为中心进行溅射蚀刻制备方法。

原专利是基于溅射蚀刻生成的微小表面凸起物而改性和形成功能性表面，凸起物的分布是离散的和随机的，且不可控的，因而不能形成致密层状的改性表面和功能性表面。

发明内容

本发明的目的是提出一种提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，适合于钢铁材料表面硬化改性，即通过对钢铁材料的溅射蚀刻，在其表面生成高硬度和优良耐磨性的薄膜。

为达到上述目的，本发明的具体技术方案是，

一种提高钢铁材料表面硬度和耐磨性的方法，其包括如下步骤：

1)基材导入溅射室，溅射室内工作真空度0.1～100Pa；

2)通入介质气体，调节通入介质气体的压力、流量以及真空阀门的开启度，使溅射室达到并维持工作真空度0.1～100Pa；

3)在外加电源作用下，把介质气体电离成荷能离子，并调节电压100～2000V和电流0.01A～5A，使溅射功率密度保持在0.1～30W/cm²；

4)用离子流对基材表面进行持续的溅射蚀刻处理0.01～10h，基材表面生成高硬度和优良耐磨性的薄膜，厚度为0.001～100μm；

5)处理结束后，基材自溅射室中导出，获得溅射蚀刻改性表面。进一步，基材不必事先进行时效处理，或研磨和脱脂等前处理。

步骤1)溅射室工作真空度3～20Pa。

步骤2)所述的介质气体为惰性气体，如Ar₂。

步骤3)在外加电源作用下，把介质气体电离成荷能离子，并调节电压800～1500V和电流0.2～1.0A，使溅射功率密度保持在2～18W/cm²。

步骤4)用离子流对基材表面进行持续的溅射蚀刻处理，0.1～7h，，基材表面生成高硬度和优良耐磨性的薄膜厚度为0.01～10μm。

另外，步骤2)中，引入反应性气体如O₂、或N₂，流量为1～200SCCM，优选流量为10～100SCCM，基材表面生成可提高硬度和耐磨性的金属间化合物。

上述带钢处理工艺，只需把配有进出真空锁的溅射功能模块连接在连续生产线上，并且真空锁能够保证溅射所需气氛环境，此发明就能在生产现场实施。

相比于日本发明JP2006-097071，本发明的优点如下：

1.溅射蚀刻工艺作为表面改性技术，日本发明JP2006097071仅是整个表面改性工艺中的一个独立的重要技术环节，因为处理前的金属必须先经过时效处理，而本发明是独立完整的表面改性工艺，可以直接处理未经时效处理的钢铁材料，缩短了工艺流程，降低了生产成本。因此，二者的工艺特征不同。