[发明专利]一种合金钢表面直流磁控溅射技术制备W‑N硬质膜的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料表面加工领域，具体涉及一种合金钢表面直流磁控溅射技术制备W-N硬质膜的方法。

背景技术

20世纪社会需求和技术发展导致形成了高强度低合金钢、合金结构钢、不锈耐蚀钢、耐热钢、模具钢、工具钢、轴承钢等合金钢品种体系。进入21世纪后，高层建筑、海洋设施、石油开采和长距离油气输送管线、航空航天器等国民经济的各个部门都需要性能高、使用寿命长且成本低的合金钢。

模具是现代加工产业的重要基础之一。因模具工作环境较恶劣，对模具钢强度、硬度、抗热疲劳型、耐磨性、耐腐蚀性等有很高的要求。依靠提高模具钢本身性能来达到工业对模具日渐严苛的要求已经很难实现，通过表面强化处理来改变模具钢的表面状态以提高其综合性能是一种非常有效的方法。

物理气相沉积技术自问世以来得到迅速发展，各种新技术层出不穷，切削刀具、模具、耐磨损零件等经物理气相沉积技术涂层处理后，有效提高了其表面硬度、复合韧性、耐磨损性和化学稳定性能等，大幅度提高了工件的使用寿命。直流磁控溅射是七十年代发展起来的一种溅射技术，以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。相比其他物理气相沉积方法，直流磁控溅射技术沉积具有速率高、镀膜质量高、工艺稳定、便于大规模生产等优点。

电弧增强型辉光放电技术是通过电弧放电产生大量等离子体，电子在阳极棒的牵引下，进入腔室与通入的高纯氩气碰撞，显著提高其离化率。该过程产生大量低能等离子体，使基体各部分得到均匀的刻蚀。相比传统的离子刻蚀清洗，电弧增强型辉光放电技术有效避免基体表面损伤并显著减少基体表面杂质，细化基体表面晶粒尺寸。

氮化物涂层大多具有熔点高、抗高温氧化性好、硬度高、韧性好等特点。氮化钛、氮化铬等硬质涂层已经过了系统的研究，并已在工业上应用成熟。氮化钨已被研究用作大规模集成电路的扩散阻挡层、高耐磨材料、新型催化材料、光学材料及电极等。氮化钨杰出的耐磨性和与传统钢基体良好的结合力也使其在作为表面改性纳米涂层方面具有研究前景。

发明内容

本发明的目的在于克服传统合金钢用涂层的不足，提供了一种合金钢表面直流磁控溅射技术制备W-N硬质膜的方法，是一种采用电弧增强型辉光放电技术清洗刻蚀基体表面氧化皮，细化基体表面晶粒尺寸，采用直流磁控溅射技术在合金钢表面制备W-N硬质膜的方法。该方法制备的W-N硬质膜表面致密光滑，化学稳定性高，耐磨性优异，并进一步改善涂层与基体的结合强度，适用于刀具、模具、机械关键零部件的表面强化。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种合金钢表面直流磁控溅射技术制备W-N硬质膜的方法，包括如下步骤：

1）基体表面预处理：将基体研磨抛光、超声清洗、吹干后装夹在可三维旋转的行星架上，送入腔室中；

2）基体表面离子清洗与刻蚀：采用电弧增强辉光放电技术对基体表面进行离子清洗与刻蚀；

3）直流磁控溅射镀膜处理：向所述腔室内连续通入高纯氮气和高纯氩气，保持炉内气压和温度恒定，基体加负偏压，进行直流磁控溅射镀膜处理；

4）冷却处理：步骤3）完成后开启炉体循环冷却水系统冷却，基体在真空状态下冷却后取出。

进一步地，在步骤1）中，所述研磨为将基体分别在200目、400目、600目、800目、1000目、1200目的砂纸上进行粗磨和细磨，所述抛光为用W2.5的金刚石抛光粉进行抛光。

进一步地，在步骤2）中，电弧增强辉光放电技术是通过弧光放电产生高密度等离子体，电子由阳极棒引入腔室与通入的高纯氩气碰撞，显著提高其离化率；该过程产生的低能高束流等离子体对基体表面进行清洗刻蚀，去除基体表面的杂质和氧化皮，刻蚀深度为100~500nm，减小基体表面晶粒尺寸，产生“原子尺度的微喷砂”效应。

进一步地，在步骤2）中，所述离子清洗与刻蚀的时间为30~40min。

进一步地，在步骤2）中，红外加热管的温度设定为500℃；气压为0.2~2.0 Pa，氩气流量由腔室气压控制。

进一步地，在步骤2）中，基体表面离子清洗与刻蚀过程中，充当电弧靶采用圆形Ti靶，纯度达99%以上，靶电流为70~90A；放置基体的行星架接双极脉冲，负极偏压为-300V，正极偏压为+20V，频率为15~20 kHz，占空比为60~80%；；行星架转速设置为2~6r/min。

进一步地，在步骤3）中，红外加热管温度设定为500~600℃；氩气流量设置为120~80sccm，氮气流量设置为40~80sccm。