[发明专利]利用化学热处理在金属表面制备陶瓷多层膜的方法

说明书

本发明公开了利用化学热处理在金属表面制备陶瓷多层膜的方法。首先在需要表面强化的金属基体表面利用物理气相沉积方法制备具有碳化物或氮化物或氮化物形成能力的金属/金属多层膜；然后对样品进行高温热处理，促进金属元素层间互扩散；最后对样品进行渗碳处理或渗氮处理处理或者渗氮处理，随着碳或氮向内扩散并与金属反应，使金属/金属多层膜转变为碳化物/碳化物氮化物/氮化物多层膜。最终在基体表面形成陶瓷/陶瓷多层膜。与现有方法相比，本发明方法能够促进层间界面的金属元素互扩散，形成具有冶金结合的高强度层间界面和膜基界面，显著提高膜层的综合力学性能。

技术领域

本发明属于金属材料表面处理方法技术领域，具体涉及利用化学热处理在金属表面制备陶瓷多层膜的方法。

背景技术

过渡金属材料应用范围的日益增加对其表面强度、硬度和耐磨性的要求不断提高。例如，对用于搅拌摩擦焊的钨基合金，提高其表面的强度、硬度以及耐磨性不但能够延长设备零件的使用寿命，而且有利于提升焊接质量。在过渡金属表面制备陶瓷/陶瓷多层膜是提高其表面强度、硬度和耐磨性的有效手段之一，即在过渡金属表面交替制备两种陶瓷层，利用两种陶瓷相自身的高硬度和陶瓷层的层状排列实现强度、硬度和耐磨性的提高。

目前，陶瓷/陶瓷多层膜的制备方法主要包括物理气相沉积和化学气相沉积。物理气相沉积使用两种靶材(如Ti靶和Cr靶)轮流工作产生沉积粒子，并使沉积粒子与气氛反应，在表面交替地生成两种靶材对应的陶瓷层(如TiN层和CrN层)。化学气相沉积则是通过交替通入不同气体，使之反应并在金属表面生成陶瓷层。

然而，对于上述两类方法，由于沉积物质采用轮流供给的方式，通过气相沉积制备的陶瓷/陶瓷多层膜的层间界面存在物相突变，缺乏元素扩散，缺乏冶金结合，界面残余应力较大，层间结合强度较低。同时，多层膜和基体之间存在陶瓷相与金属相形成的尖锐界面，物相晶体学性质差异大，膜基界面结合强度低。因此，在使用过程中，外力作用易导致表面膜层的整体脱落。可见，膜基界面和层间界面缺乏冶金结合的问题制约了陶瓷/陶瓷多层膜力学性能的进一步提升。

发明内容

本发明提供利用化学热处理在金属表面制备陶瓷多层膜的方法，解决了目前陶瓷/陶瓷多层膜的层间界面和膜基界面缺少元素互扩散，难以实现冶金结合的问题，显著提升了多层膜的界面结合强度，进而提高了多层膜的综合力学性能。

本发明是利用化学热处理在金属表面制备陶瓷多层膜的方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将需要表面强化的金属基体表面进行预处理，并利用物理气相沉积方法制备具有碳化物或氮化物形成能力的金属/金属多层膜；

步骤2：将步骤1获得的试样进行高温热处理；

步骤3：将步骤2获得的试样进行化学热处理，，使步骤1中沉积的金属层和基体表层转变为碳化物层或氮化物层，从而获得陶瓷/ 陶瓷多层膜。

本发明的特点还在于：

所述化学热处理包括渗氮处理和渗碳处理；渗碳过程中，应使渗碳深度超过步骤1中制备的金属/金属多层膜的总厚度，使陶瓷层/金属层界面位于金属基体表层；

渗碳处理或渗氮处理温度需高于900摄氏度且低于金属/金属多层膜和金属基体的熔点；渗碳处理或渗氮处理时间取决于渗碳温度和多层膜厚度，最终应使陶瓷层厚度大于步骤1中沉积的金属/金属多层膜的厚度，即膜基界面位于金属基体表面以内。

物理气相沉积方法包括真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等任意可以沉积具有碳化物形成能力的金属的物理气相沉积方法。步骤1中所述的需要表面强化的金属基体包括Ti、Zr、Nb、Ta、Mo、W、Cr中的一种元素形成的纯金属或以其为主要化学成分的合金。