本发明专利技术公开了一种合金钢表面渗氮后原位PVD镀膜的一体化复合处理方法。首先将基体研磨、抛光、超声清洗，再利用电弧增强型辉光放电技术对其表面进行等离子清洗与刻蚀；而后进行离子渗氮处理，得到渗氮层；最后在相近温度和气压条件下，原位进行先进等离子体辅助电弧镀膜处理，基体加负偏压，在渗氮层上得到硬质膜。本发明专利技术由于在同一设备上存储、汇总编程，在相近温度、气压条件下，一体化执行PN‑PVD复合处理工艺，渗氮过程中高密度的等离子体对基体进行清洗刻蚀，提高了渗氮速率，也对膜层生长初期产生了电子加热作用，该复合处理工艺显著提高了涂层与基体的附着性，改善其耐磨性能，有效提高了涂层刀具、模具和机械零部件的综合性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料表面加工领域，具体涉及一种合金钢表面渗氮后原位PVD镀膜的一体化复合处理方法，适用于刀具、模具、机械关键零部件的表面强化。
技术介绍
随着加工制造技术的进步，机械加工不断向高精化、高速化方向发展，对各类刀具在硬度、耐磨性、抗氧化性能和切削性能等方面提出了更高的要求。而今，涂层技术已和刀具材料、刀具设计与制造一起成为切削刀具的三大关键技术。基于切削加工追求的目标是高精度、高效率、低成本、绿色环保，“高韧性高强度基体+高硬度高耐磨性刃部”设计组合仍是未来刀具的主要发展方向。高速钢，由于其具有高硬度、高耐磨性和高耐热性，而被广泛用来制造复杂的薄刃和耐冲击的金属切削刀具，还被用于制造高温轧辊、轴承、机械零件以及高档次的冷热模具等。为提高其使用寿命，增强耐蚀性能和尺寸稳定性，改善其综合使用性能，除了提高热处理水平、改善冶炼工艺之外，非常重要的处理方法便是在其表面制备一定厚度的硬质涂层。模具钢是现代加工产业的重要基础之一，随着模具加工成形技术的不断发展，对模具材料的要求也越来越高。只靠钢材本体材料化学成分的调配和组织结构的改善已很难满足现实工业生产过程中对模具钢强度、硬度、抗热疲劳性、耐磨性和耐腐蚀性等性能的要求。而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。针对硬质涂层(如氮化物)-钢基体(如模具钢)体系而言，通常涂层与基体之间存在硬度差异大、热膨胀系数和弹性模量不匹配、塑性变形能力差异大等问题，类似“鸡蛋壳效应”。涂层在服役过程中，承受高载荷以及剧烈的摩擦磨损，往往易出现开裂、剥落，最终失效。等离子体渗氮（PN）-物理气相沉积（PVD）复合处理技术综合了两种技术的优势，最早是由芬兰科学家Korhonen等人于1983年提出的。目前，国外的巴尔查斯、豪泽、梯尔公司等涂层设备公司，国内西安交大、重庆大学、太原理工大学、华南理工大学等均对PN-PVD开展了许多研发工作，大量研究表明，基体（如结构钢、模具钢、高速钢等）离子渗氮后再进行离子镀或磁控溅射复合处理后，能够提高合金钢制品的综合使用性能和使用寿命。目前，常用的PN-PVD复合处理技术是将渗氮和镀膜工艺分开进行，工件先进行渗氮处理，降温冷却后，再进行PVD镀膜处理。而渗氮后原位PVD镀膜的一体化复合处理方法是将渗氮和PVD镀膜过程在同一设备上汇总编程、存储，在相近的温度和气压条件下，一体化执行PN-PVD复合处理工艺，渗氮过程中高密度的等离子体可对基体进行清洗刻蚀，提高了渗氮速率，也对膜层生长初期产生了电子加热作用，能够增强涂层与基体的附着性能，改善合金钢制品的综合性能，有效提高表面处理效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种合金钢表面渗氮后原位PVD镀膜的一体化复合处理方法，优化了传统PN-PVD复合处理工艺，将渗氮和PVD镀膜过程在同一设备上汇总编程、存储，在相近的温度和气压条件下，一体化执行PN-PVD原位复合处理工艺，渗氮过程中高密度的等离子体可对基体进行清洗刻蚀，提高了渗氮速率，也对膜层生长初期产生了电子加热作用，能够增强涂层与基体的附着性能，改善涂层的综合性能，有效提高表面处理效率。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。一种合金钢表面渗氮后原位PVD镀膜的一体化复合处理方法，该方法的步骤如下：1）基体表面预处理，将基体依次研磨、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。2）基体表面离子清洗与刻蚀，采用电弧增强型辉光放电技术对基体表面进行离子清洗与刻蚀30~90min，去除基体表面的杂质和氧化皮。3）电弧等离子辅助渗氮，向反应炉内连续通入高纯N2、高纯H2和高纯Ar，同时保持炉内气压和温度恒定，基体加负偏压，进行60~120min等离子渗氮处理（PN）。4）原位PVD镀膜处理，在基体渗氮层上沉积具有一定厚度的硬质涂层。5）步骤4）完成后，随后开启炉体循环冷热水系统对腔室进行冷却，基体在真空状态下随炉冷却至70℃以下即可取出。进一步地，在步骤1）中，所述基体为铁基合金钢。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，抛光使试样表面粗糙度Ra值达到0.4μm以下；所述超声清洗是将抛光后的基体用无水乙醇超声清洗10~20min，然后吹干。进一步地，在步骤2）中，基体表面离子清洗与刻蚀，采用电弧增强型辉光放电技术对基体表面进行离子清洗与刻蚀。充当电子源的电弧靶采用Ti靶，纯度达99%以上，靶电流为70~90A；放置基体的行星架接脉冲电源负极，负偏压为-200~-400V，采用双极脉冲，频率10~20kHz，占空比70%~90%；整个腔室的加热采用的是分布在腔室后壁上的红外加热管，腔室内的实际温度由腔室前侧热电偶测量，且设置上、中、下三个位置，红外加热管温度设定为450~550℃；气压为0.2~2.0Pa，通入的Ar流量通过气压控制为160~230sccm；离子清洗与刻蚀时间为30~90min。所述电弧增强型辉光放电技术是通过弧光放电产生高密度电子，电子与通入的氩气碰撞，显著提高其离化率，去除基体表面的杂质和氧化皮，并产生“原子尺度的微喷砂”效应，以活化基体表面、提高渗氮速率，增强膜基结合力。进一步地，在步骤3）中，电弧等离子辅助渗氮，电弧靶、基体电压和红外加热管的温度设定值与步骤2）相同，向反应炉内连续通入高纯N2、高纯H2和高纯Ar，渗氮气压为0.2~2.0Pa，N2流量为25~50sccm，H2流量为25~50sccm，Ar流量通过气压控制为130~200sccm，进行60~120min等离子渗氮处理，得到厚度为10~50微米的渗氮层。进一步地，在步骤4）中，所述PVD涂层方法为多弧离子镀技术。PVD涂层工艺与等离子渗氮工艺是在同一设备上汇总编程、存储，在相近的温度和气压条件下，于同一腔室中一体化连续执行PN-PVD原位复合处理工艺。进一步地，在步骤5）中，镀膜结束后，开启炉体循环冷热水系统对腔室进行冷却，冷热水温度12~40℃，基体在真空状态下随炉冷却至70℃以下即可取出。本专利技术采用渗氮后原位PVD镀膜的复合处理工艺，在一定基体负偏压、沉积温度、气体压强等条件下，在合金钢表面制备厚度可控的渗氮层，并原位沉积成分结构可控的硬质涂层。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：（1）本专利技术在基体前处理过程中，采用电弧增强型辉光放电技术对基体表面进行离子清洗与刻蚀，可有效去除基体表面的杂质和氧化皮，相当于原子级别的微喷砂，活化基体表面，同时该过程也对离子渗氮起到了预处理的作用，有效提高渗氮速率。（2）本专利技术的等离子渗氮和PVD镀膜工艺温度均为450~550℃，炉内气压均控制在0.2~2.0Pa，将两者在同一设备上存储、汇总编程，并在同一腔室中一体化连续执行PN与PVD原位复合处理工艺，可有效避免等离子渗氮和PVD镀膜分开进行需要的温度、真空准备过程，以及在此过程中产生的热应力，可以增强涂层与基体的附着性能，改善涂层的综合性能，有效提高表面处理效率。（3）本专利技术的离子渗氮采用的是电弧辅助等离子渗氮，在该过程中产生的高密度等离子体，可对合金钢基体产生清洗刻蚀作用，有效活化基体并提本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种合金钢表面渗氮后原位PVD镀膜的一体化复合处理方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1）基体表面预处理：将基体依次研磨、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；2）基体表面离子清洗与刻蚀：采用电弧增强型辉光放电技术对步骤1）所得基体的表面进行离子清洗与刻蚀，去除基体表面的杂质和氧化皮；3）电弧等离子辅助渗氮：向反应炉内连续通入高纯N2、高纯H2和高纯Ar，同时保持炉内气压和温度恒定，基体加负偏压，进行60~120min等离子渗氮处理；4）原位PVD镀膜处理：在与等离子渗氮过程相近的温度、气压条件下，在基体渗氮层上沉积硬质涂层；5）步骤4）完成后，随后开启炉体循环冷却水系统冷却，基体在真空状态下随炉冷却至70℃以下即可取出工件。
【技术特征摘要】
1.一种合金钢表面渗氮后原位PVD镀膜的一体化复合处理方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1）基体表面预处理：将基体依次研磨、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；2）基体表面离子清洗与刻蚀：采用电弧增强型辉光放电技术对步骤1）所得基体的表面进行离子清洗与刻蚀，去除基体表面的杂质和氧化皮；3）电弧等离子辅助渗氮：向反应炉内连续通入高纯N2、高纯H2和高纯Ar，同时保持炉内气压和温度恒定，基体加负偏压，进行60~120min等离子渗氮处理；4）原位PVD镀膜处理：在与等离子渗氮过程相近的温度、气压条件下，在基体渗氮层上沉积硬质涂层；5）步骤4）完成后，随后开启炉体循环冷却水系统冷却，基体在真空状态下随炉冷却至70℃以下即可取出工件。2.根据权利要求1所述的一种合金钢表面渗氮后原位PVD镀膜的一体化复合处理方法，其特征在于，在步骤1）中，所述基体为铁基合金钢。3.根据权利要求1所述的一种合金钢表面渗氮后原位PVD镀膜的一体化复合处理方法，其特征在于，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，抛光使基体表面粗糙度Ra值达到0.4μm以下；所述超声清洗是将抛光后的基体用无水乙醇超声清洗10~20min，然后吹干。4.根据权利要求1所述的一种合金钢表面渗氮后原位PVD镀膜的一体化复合处理方法，其特征在于，在步骤2）中，实施电弧增强型辉光放电技术时，红外加热管温度设定为450~550℃，气压为0.2~2.0Pa，氩气流量通过气...
【专利技术属性】
技术研发人员：匡同春，邓阳，王毅，陈灵，雷淑梅，黎毓灵，周克崧，曾德长，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44
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