一种CrN/Cr/Si3N4/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种CrN/Cr/Si3N4/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法。薄膜具有4层结构，从基体材料表面到多层薄膜表面，多层薄膜依次为Cr层、非晶Si3N4层、致密Cr层和CrN层。该薄膜同时具有15GPa以上的硬度和良好的耐腐蚀防护性能。通过加入非晶Si3N4层以及致密Cr层，避免形成贯穿多层薄膜的针孔、微裂纹等组织缺陷，较好地解决了传统CrN薄膜耐腐蚀防护性能差的缺点。该多层薄膜适用于易锈蚀基体材料表面的抗磨损耐腐蚀防护。同时，该薄膜也适用于盐雾、高温高湿等易于造成腐蚀侵害的环境条件。

【技术实现步骤摘要】
一种CrN/Cr/Si3N4/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法
本专利技术涉及一种CrN/Cr/Si3N4/Cr多层耐磨损耐腐蚀一体化薄膜材料及其制备方法。
技术介绍
众所周知，与TiN薄膜相比，物理气相沉积CrN薄膜具有更高的显微硬度、韧性和更好的耐腐蚀性能。但是CrN薄膜在表面工程领域的应用仍然存在较大局限性。这主要是因为受到物理气相沉积技术特点的影响，CrN薄膜一般均含有针孔、微裂纹等组织缺陷，此类缺陷易于形成应用环境中侵害介质到达基体材料的“通路”。当基体材料由点蚀发展到严重腐蚀时，基体材料表面CrN薄膜就会发生剥落失效。因此，对于易锈蚀金属基体材料，以及盐雾、高温高湿等苛刻环境条件，CrN薄膜的应用都存在较大的局限性。目前，已有研究结果表明制备超厚CrN（≥10μm）薄膜可以较大程度降低贯穿膜层的组织缺陷的形成，从而提高CrN薄膜对基体材料的耐腐蚀防护性能。但是制备超厚CrN薄膜仍然存在以下主要缺点：（1）较大薄膜厚度会改变基体零部件结构尺寸，从而引起相关零部件装配、啮合及运转精度等一系列参数变化。因此超厚CrN薄膜不适用于精密机械部件，如精密轴承滚珠、精密齿轮以及精密阀门等组件表面的耐磨损耐腐蚀防护；（2）制备超厚薄膜对薄膜制备设备可靠性及技术稳定性提出了更高的要求，同时也会增加薄膜制备成本。因此，制备薄的耐磨耐蚀薄膜对发挥CrN薄膜优异性能，扩大其适用范围，进一步开发这类薄膜材料的应用潜能意义重大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种CrN/Cr/Si3N4/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料及其制备方法。一种CrN/Cr/Si3N4/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料，其特征在于该薄膜材料由Cr、Si和N三种元素构成，薄膜呈现出共4层的多层结构，从基体材料表面到多层薄膜表面，多层薄膜依次为Cr层、非晶Si3N4层、致密Cr层和CrN层；所述的金属基体材料选自碳钢或合金钢。本专利技术所述的薄膜材料，其中Cr层厚度为0.1～0.5μm，非晶Si3N4层厚度为0.1～0.4μm，致密Cr层厚度为0.1～0.3μm，CrN层厚度为0.5～1μm；薄膜总厚度为0.8～2.2μm。一种CrN/Cr/Si3N4/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料的制备方法，其特征在于通过磁控溅射方法在辉光等离子体环境中沉积制备，具体步骤为：步骤一、靶材制备及安装1）Cr靶的制备：把Cr锭加工成Φ60～90mm，厚度为4～7mm的圆柱形靶；2）多晶Si靶的制备：把Si物料直接模压成Φ60～90mm，厚度为4～7mm的圆柱形靶；3）将Cr靶和多晶Si靶分别安装在磁控溅射镀膜装置靶座，并分别连接磁控溅射电源；步骤二、安装准备镀膜基体材料将洁净的准备镀膜的金属基体材料装入镀膜真空室，将基体材料镀膜表面与Cr及Si靶材之间的靶距调整至60～100mm；步骤三、离子轰击处理将镀膜真空室抽真空至本底气压≤6×10-3Pa，然后充入高纯氩气，气压至2.0～6.0Pa，离子轰击功率0.2～1W/cm2，离子轰击处理时间为10～30min；步骤四、溅射镀膜沉积Cr层：向真空室充入氩气至气压为5×10-1～2.0Pa，对Cr靶通电，调节Cr靶电压为250～400V，电流1.2～1.5A，基体材料偏压-50～-200V，实施Cr底层沉积；沉积非晶Si3N4层：关闭Cr靶，通入氮气气压至2.0～3.0Pa，对Si靶通电，调节Si靶电压为250～450V，电流1.2~1.5A，基体材料偏压-50～-200V，实施非晶Si3N4层沉积；对非晶Si3N4层氩离子轰击处理：在非晶Si3N4层沉积完成后，关闭Si靶，关闭氮气。将氩气气压提高至2.0～6.0Pa，将基体材料偏压提高至-500V～-1000V，对非晶Si3N4层进行氩离子轰击处理，轰击时间为10～30min；沉积致密Cr层：将氩气气压重新调整至5×10-1～2.0Pa，基体材料偏压调整至-50～-200V，对Cr靶通电，调节Cr靶电压为250～400V，电流1.2～1.5A，实施致密Cr层沉积；沉积CrN层：在致密Cr层沉积完成后，维持Cr靶电压、电流、氩气气压以及基体材料偏压不变，并直接通入氮气，至气压2.0～3.0Pa，沉积CrN层，CrN层沉积完成后，关闭Cr靶电源。镀膜结束后，镀膜基体材料在镀膜真空室内自然冷却至室温，得到CrN/Cr/Si/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料。本专利技术的关键在于所有镀层均在常温条件下制备，低沉积温度条件保证了Si3N4层形成致密的非晶体结构。在非晶Si3N4层沉积完成后，对非晶Si3N4层进行氩离子轰击处理，该处理步骤可以对非晶Si3N4层表面形成溅射刻蚀作用，造成非晶Si3N4层表面粗糙度增加，而粗糙的非晶Si3N4层会进一步提高后续Cr层沉积时的形核密度，达到Cr层以小晶粒高致密度方式生长，从而沉积形成致密Cr层。本专利技术所述的金属基体材料选自碳钢或合金钢。本专利技术金属Cr纯度大于99wt%。本专利技术Si纯度大于99wt%。本专利技术工作氮气纯度大于99.9wt%。本专利技术工作氩气纯度大于99.9wt%。本专利技术的薄膜材料具有多层结构，表面CrN层可为薄膜提供高硬度和良好的耐磨损性能，致密Cr层和非晶Si3N4层可以打断和封闭薄膜中的组织缺陷，避免贯穿膜层的针孔和微裂纹形成，从而使多层薄膜整体获得对基体材料良好的耐腐蚀防护性能。Cr层可以降低多层薄膜与基体材料之间的应力，有效提高多层薄膜承载能力和膜-基结合强度。本专利技术薄膜不仅具备传统CrN薄膜高硬度、高化学惰性的特点，同时具备良好的耐腐蚀防护性能，适用于各类金属基体材料，包括易于锈蚀金属材料的表面抗磨损耐腐蚀防护，也适用于盐雾、高温高湿等苛刻应用环境。该薄膜采用多层化结构设计，特别是通过引入非晶Si3N4层，其诱发形成致密Cr层，产生打断和封闭贯穿薄膜的组织缺陷的结构效应，从而克服了传统CrN薄膜适用环境及适用基体材料受到局限的缺点，实现了CrN基薄膜耐磨损和耐腐蚀功能一体化。该专利技术薄膜具备以下具体性能：薄膜具备≥15GPa硬度；薄膜耐腐蚀防护性能：以45钢为基体材料，镀膜试样在温度30±3℃，相对湿度65±5%RH条件下贮存72h，试样无锈蚀；薄膜与钢基体结合强度：采用划痕试验法检测薄膜与钢基体的结合强度，临界载荷Lc≥30N；薄膜承载能力：表面垂直加载1838N，用40倍显微观察，本专利技术薄膜不破裂不剥落。具体实施方式为了进一步阐明本专利技术CrN/Cr/Si3N4/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料，以下通过具体的实例对本专利技术的上述内容作进一步的详细说明。但本专利技术的上述主题范围不仅仅局限于下述实例。实施例1：选择45钢作为基体材料。步骤一、靶材制备及安装1）Cr靶的制备：把Cr锭加工成Φ80mm，厚度为5mm的圆柱形靶；2）多晶Si靶的制备：把Si物料直接模压成Φ80mm，厚度为5mm的圆柱形靶；3）将Cr靶和多晶Si靶分别安装在磁控溅射镀膜装置靶座，并分别连接磁控溅射电源；步骤二、安装准备镀膜基体材料将洁净的准备镀膜的45钢基体材料装入镀膜真空室，将基体材料镀膜表面与Cr及Si靶材之间的靶距调整至70mm；步骤三、离子轰击处理将镀膜真空室抽真空至本底气压5.5×10-3Pa，然后充入高纯氩气，气压至2.5Pa，离子轰击功率0.4W/cm2，离子本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CrN/Cr/Si3N4/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料，其特征在于该薄膜材料由Cr、Si和N三种元素构成，薄膜呈现出共4层的多层结构，从基体材料表面到多层薄膜表面，多层薄膜依次为Cr层、非晶Si3N4层、致密Cr层和CrN层；所述的金属基体材料选自碳钢或合金钢。

【技术特征摘要】
1.一种CrN/Cr/Si3N4/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料，其特征在于该薄膜材料由Cr、Si和N三种元素构成，薄膜呈现出共4层的多层结构，从基体材料表面到多层薄膜表面，多层薄膜依次为Cr层、非晶Si3N4层、致密Cr层和CrN层；所述的金属基体材料选自碳钢或合金钢。2.如权利要求1所述的薄膜材料，其特征在于：其中Cr层厚度为0.1～0.5μm，非晶Si3N4层厚度为0.1～0.4μm，致密Cr层厚度为0.1～0.3μm，CrN层厚度为0.5～1μm；薄膜总厚度为0.8～2.2μm。3.如权利要求1所述的一种CrN/Cr/Si3N4/Cr多层耐磨耐蚀薄膜材料的制备方法，其特征在于通过磁控溅射方法在辉光等离子体环境中沉积制备，具体步骤为：步骤一、靶材制备及安装1）Cr靶的制备：把Cr锭加工成Φ60～90mm，厚度为4～7mm的圆柱形靶；2）多晶Si靶的制备：把Si物料直接模压成Φ60～90mm，厚度为4～7mm的圆柱形靶；3）将Cr靶和多晶Si靶分别安装在磁控溅射镀膜装置靶座，并分别连接磁控溅射电源；步骤二、安装准备镀膜基体材料将洁净的准备镀膜的金属基体材料装入镀膜真空室，将基体材料镀膜表面与Cr及Si靶材之间的靶距调整至60～100mm；步骤三、离子轰击处理将镀膜真空室抽真空至本底气压≤6×10-3Pa，然后充入高纯氩气，气压至2.0～6.0Pa，离子轰击功率0.2～1W/cm2，离子轰击处理时间为10～30min；步骤四、溅射镀膜沉积Cr层：向真空室充入氩气至气压为5×10-1～2.0Pa，对Cr靶通电，调节Cr靶电压...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡明，伏彦龙，刘维民，翁立军，杨军，王德生，高晓明，姜栋，孙嘉奕，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62