本发明专利技术创造提供了一种Cr-CrN纳米复合金属陶瓷涂层及其制备方法和设备，所述涂层自基体表面向外依次为Cr扩散层、Cr结合层、Cr过渡层、CrNx支撑层、Cr/CrN抗腐蚀层和Cr装饰层；其中，所述CrNx支撑层中0≤x＜1；所述Cr/CrN抗腐蚀层为Cr层和CrN层的交替层，且所述Cr/CrN抗腐蚀层中至少具有一层Cr层和一层CrN层。本发明专利技术提供的涂层形成结构和成分渐变，层间结合良好，具有优异的耐腐蚀性和综合性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术创造属于涂层材料制备
，具体涉及一种Cr-CrN纳米复合金属陶瓷涂层及其制备方法，能够适用于各类基体材料表面，尤其适用于诸如紧固件等小规格尺寸及具有复杂表面结构的基体材料的表面处理或改性。
技术介绍
与离子注入、喷涂、电镀、氧化、CVD (化学气相沉积)等技术相比，PVD (物理气相沉积)方法是目前最先进的表面处理技术之一，用无污染的真空镀膜技术制备金属或陶瓷涂层来代替传统的防腐蚀涂层是近年来发展的趋势，国内外不少研宄机构进行了许多有益的尝试，包括电子束蒸法、化学气相沉积、离子束溅射、阴极电弧沉积以及磁控溅射等。其中电子束蒸发镀膜效率较高，但其镀膜方向性较强、均匀性较差、附着力低、不利于复杂外型工件的制备；化学气相沉积方法沉积速率较快，但制备温度较高，对工件的耐温性要求较高，不能适用于普通钢铁及低熔点非金属材料；阴极电弧沉积方法沉积速率较快，但放电过程中产生大量的液滴难以消除，涂层表面光洁度和耐腐蚀性能受到较大影响，为消除液滴必须进行过滤，导致沉积速率大幅度下降。磁控溅射方法制备的涂层没有液滴问题，同时制备温度较低，可以在各种基体材料(如钢铁、有色金属、塑料等)上进行涂层制备，镀膜过程绿色环保，可以得到厚度均匀、结合力优良的纳米涂层。且该涂层具有优异防腐蚀性能和环境友好的特点，在航空航天领域具有良好的应用前景。纳米多层膜和纳米晶复合涂层具有相似的微结构和力学性能特征。近年来是防腐蚀涂层领域研宄的热点。磁控溅射制备的各种防腐蚀涂层材料中，CrN复合涂层材料是一种新型的面心立方结构的硬质陶瓷涂层材料，具有内应力低、韧性好、耐磨性好、结合力强、化学稳定性高以及良好的热稳定性好等特性；CrN膜不但具有优异的耐磨性能，而且具有优异的电化学腐蚀性能和抗高温氧化性能。是高端紧固件表面防护涂层材料中最具有应用前途的涂层。紧固件是作紧固连接用且应用极为广泛的一类机械零件。在机械设备、车辆、船舶、铁路上都获得了广泛的应用。尤其是随着各类航天、航空装备的发展，对紧固件的性能也提出了更高的要求，如适用于海上环境的装备，则对配套紧固件的综合性能，耐腐蚀性能要求严苛。为提高紧固件的耐腐蚀性能，一般在选择具有良好耐蚀性基体材料的基础上，再通过合适的表面处理方法进一步改善紧固件的表面性能。紧固件工件规格尺寸多样，外形结构复杂多样，基体成分种类也各不相同，目前的表面处理技术获得的涂层材料仍然不能满足高技术发展对紧固件提出的越来越高的性能需求。并且，目前低成本的电镀技术如电镀铬、镀锌、镀镍等仍应用广泛。但由于电镀过程中所排放的废液含高度致癌的六价铬等污染严重的重金属，严重污染周边环境。发达国家已经大量限制电镀技术的使用，全部转包到包括中国在内的发展中国家，对环境造成了严重的污染。为了寻找电镀的替代技术，国内外进行了多年的尝试，但由于制备方法上的缺陷，迄今为止，低成本的替代电镀技术的研宄仍然没有取得较大突破。
技术实现思路
本专利技术创造针对现有技术的不足，首先提供了一种Cr-CrN纳米复合金属陶瓷涂层，能够适用于各类基体材料表面，尤其适用于诸如紧固件等多种规格尺寸及具有复杂表面结构的基体材料的表面处理或改性，所采用的技术方案是:所述Cr-CrN纳米复合金属陶瓷涂层自基体表面向外依次为Cr扩散层、Cr结合层、Cr过渡层、CrNx支撑层、Cr/CrN抗腐蚀层和Cr装饰层；其中，所述CrNx支撑层中0<χ<1 ;所述Cr/CrN抗腐蚀层为Cr层和CrN层的交替层，且所述Cr/CrN抗腐蚀层中至少具有一层Cr层和一层CrN层。其中，所述Cr扩散层为采用电弧离子镀方法制备而成，所述Cr结合层、Cr过渡层、CrNx支撑层、Cr/CrN抗腐蚀层和Cr装饰层为采用中频磁控溅射法制备而成。进一步，所述CrNx支撑层中，x值自基体表面向外的延伸方向递增，优选的，x值自基体表面向外的延伸方向由O增至接近于I。进一步，所述Cr扩散层厚度为2?10nm，所述Cr结合层厚度为5?10nm ;所述Cr过渡层厚度为200?2000nm ;所述CrNx支撑层厚度为200?100nm ;所述Cr/CrN抗腐蚀层厚度为500?5000nm ;所述Cr装饰层厚度为200?100nm ;其中，所述Cr/CrN抗腐蚀层中，Cr层厚度为5?2500nm，CrN层厚度为5?2500nm，所述Cr层和CrN层的层数优选为2?500层。本专利技术还提供了制备上述Cr-CrN纳米复合金属陶瓷涂层的方法，包括采用电弧离子镀方法制备Cr扩散层的步骤以及采用中频磁控溅射法依次分别制备Cr结合层、Cr过渡层、CrNx支撑层、Cr/CrN抗腐蚀层和Cr装饰层的步骤。具体的，所述制备Cr-CrN纳米复合金属陶瓷涂层的方法包括下述步骤:采用电弧放电在0.02?0.2Pa、-800?-1000V、保护气条件下制备Cr扩散层；采用中频磁控溅射在0.4?IPa、-500?-1000V、保护气条件下制备Cr结合层；采用中频磁控溅射在0.4?IPa、-50?-200V、保护气条件下制备Cr过渡层；采用中频磁控溅射在0.4?IPa、-50?-250V、保护气和氮气混合气条件下制备CrNx支撑层；采用中频磁控溅射在0.4?lPa、-50?-250V、间隔向保护气中通入氮气的条件下制备Cr/CrN抗腐蚀层；采用中频磁控溅射在0.4?IPa、-50?-250V、保护气条件下制备Cr装饰层。其中，所述电弧放电和中频磁控溅射过程中所用的靶材均为Cr。其中，所述各结构层制备过程中，电弧放电时间以及磁控溅射时间可根据各结构层制备厚度的需求进行调整，该调整被认为是本领域技术人员公知或容易实现的。进一步，所述所述各结构层制备过程中，电弧离子镀和中频磁控溅射过程的温度控制在200?350 °C，优选为250?300 °C，更优选为250 °C。进一步，所述CrNx支撑层的制备过程中，控制单位时间内氮气的通入量随时间递增，以使CrNx支撑层中，X值自基体表面向外的延伸方向递增。其中，单位时间内氮气的通入量以及其随时间的变化量可根据CrNx支撑层厚度和化学组成变化的需要进行调整，该调整被认为是本领域技术人员公知或容易实现的，非限定性的例子包括，在CrNx支撑层制备的磁控溅射时间段内，将单位时间内氮气的通入量由零匀速增至Cr和N原子沉积的化学计量比接近1:1的量，亦即接近X= I时单位时间内所需的氮气通入量，同时在过程中调整氩气的单位时间内通入量以平衡气压。进一步，所述Cr/CrN抗腐蚀层的制备过程中，间隔向保护气中匀速通入氮气(单位时间内氮气的通入量不变)，氮气通入时形成CrN层，单位时间内氮气的通入量以Cr和N原子沉积的化学计量比为1:1为准，通入时间可根据CrN层厚度的需要进行调整，上述对单位时间内氮气通入量以及氮气通入时间的调整被认为是本领域技术人员公知或容易实现的；未通入氮气的间隔形成Cr层，间隔时间可根据Cr层厚度的需要进行调整，该间隔时间的调整也被认为是本领域技术人员公知或容易实现的；同时在整个Cr/CrN抗腐蚀层的制备过程中调整氩气单位时间内通入量以平衡气压。进一步，在所述Cr扩散层制备前，还包括对基体表面的等离子体清洗步骤。所述等离子体清洗优选在保护气环境下，100?450°C、2-本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种Cr‑CrN纳米复合金属陶瓷涂层，自基体表面向外依次为Cr扩散层、Cr结合层、Cr过渡层、CrNx支撑层、Cr/CrN抗腐蚀层和Cr装饰层；其中，所述CrNx支撑层中0≤x＜1；所述Cr/CrN抗腐蚀层为Cr层和CrN层的交替层，且所述Cr/CrN抗腐蚀层中至少具有一层Cr层和一层CrN层。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：胡隆伟，杨兵，刘燕，王川，柳阳阳，李立堂，徐国奇，
申请(专利权)人：航天精工股份有限公司，
类型：发明
国别省市：天津;12
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