不銹鋼表面納米多層鍍膜技術研究進展

豆志朋　劉海華　宋鵬濤　黃寶渝　龔翔

摘 要：對不銹鋼表面納米多層鍍膜技術研究進展進行了綜合研究分析。研究結果表明，不銹鋼表面功能梯度納米多層涂層技術的工業(yè)化工藝，屬于環(huán)保型離子涂層復合表面處理技術，設計科學合理，結構簡單，工藝成本低。

關鍵詞：不銹鋼；表面處理；納米；功能；梯度；鍍層

中圖分類號：TB383 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0156-02

Abstract： The research progress of nanometer multilayer coating technology on stainless steel surface was comprehensively studied and analyzed in this paper. The results show that the industrial technology of functional gradient nano-multilayer coating on stainless steel surface belongs to the environmental protection ion coating composite surface treatment technology， the design is scientific and reasonable， the structure is simple， and the process cost is low.

Keywords： stainless steel； surface treatment； nanometer； function； gradient； coating

1 概述

在鋼制工件表面，特別是不銹鋼工件上形成耐磨耐腐蝕和抗氧化涂層的傳統(tǒng)方法是在表面鍍硬鉻，但電鍍過程中產生的六價鉻會嚴重污染環(huán)境CrN（氮化鉻）涂層具有硬度高，韌性好，耐磨性好，內應力低，抗氧化性能好，耐腐蝕性好，化學穩(wěn)定性好等優(yōu)點。與一般TiN涂層相比，摩擦系數(shù)較低，耐腐蝕性較好，耐磨性和抗沖擊性良好。陰極電弧離子鍍具有高的靶電離率和強的膜基鍵合力的優(yōu)點，但是在沉積過程中產生了許多大顆粒，這影響了膜的表面粗糙度。磁控濺射具有成膜粗糙度小，無大顆粒，光滑均勻的特點。然而，反應磁控濺射具有高反應性氣體或金屬靶的電離率，并且所獲得的膜往往具有許多空隙和缺陷，這傾向于導致不充分和致密的膜結構和差的耐腐蝕性。目前，兩種技術主要用于去除大顆粒污染。第二種是在運輸過程中對液體顆粒進行磁過濾。過濾陰極真空電弧沉積是一種磁場，引導等離子體繞過障礙物，而大顆粒由于電中性而與障礙物碰撞，從而去除大顆粒并避開薄膜。然而，磁過濾真空陰極電弧沉積涂層效率低的技術缺陷限制了其商業(yè)化和應用；而且，未徹底過濾的大顆粒容易被管壁反彈，從而導致靶和腔的污染。

最近的研究表明，通過高功率脈沖磁控濺射（HIPIMS）沉積制備的CrN涂層更致密，更均勻和更光滑。HIPIMS技術是一種磁控濺射技術，它使用高脈沖峰值功率和低脈沖占空比來產生高濺射金屬電離率。同時，HIPIMS的峰值功率約為1000-3000W/cm2，是普通磁控濺射的100倍。HIPIMS的低能離子束電流可以提高沉積原子的表面擴散能力，提高涂層的致密性和均勻性；同時，離子轟擊可以促進沉積原子的重復成核和再結晶，從而抑制柱狀晶粒滲透到涂層中，促進晶粒細化，并改善涂層性能。HIPIMS的最大問題是涂層的沉積速率大大降低。

2 納米多層鍍膜技術研究進展

近年來，多層膜技術，特別是納米多層膜技術，由于其綜合性能如硬度和韌性而備受關注。與單層薄膜涂層相比，多層薄膜涂層具有以下優(yōu)點：首先，多層涂層可與基材形成良好的粘合。形成如Ti/TiN/TiC、Cr/CrN等多層膜涂層體系；其次，多層薄膜涂層可以獲得不同的涂層材料的功能組合，例如，使用中間層來改善涂層支撐力，熱穩(wěn)定性等，通過頂層薄膜提供高硬度或潤滑抗磨損性能在多層膜系統(tǒng)中存在平行于基板表面的多個界面，其可以有效地抑制裂縫的產生和膨脹，匹配涂層的硬度和韌性，并獲得適度的殘余應力水平。從而提高涂層整體力學性能。此外，納米多層薄膜涂層還具有“應力阻擋”效應，可有效降低涂層外表面和次表面的最大應力，從而提高其承載能力。

為了改善二元金屬氮化物膜的性能，將多種元素添加到二元膜中以制備多組分硬質金屬氮化物膜。特別，近年來，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在CrN基膜中摻雜C，Al和Si可以極大地改善諸如基于CrN的高溫抗氧化性，耐磨性和水潤滑性的機械性能。現(xiàn)有（Cr，Al）N薄膜的制備方法主要是基于傳統(tǒng)的離子鍍工藝，重點關注抗摩擦和耐磨性的微觀機理以及Al，Si或C元素的摻雜效應，尤其是此外，雖然現(xiàn)有的（Cr，Si）N薄膜的制備方法已經(jīng)在離子鍍復合工藝中得到了研究，但它仍然專注于解決（Cr，應用Si）N薄膜的力學性能，而忽略了（Cr，Si）N薄膜的裝飾性能的應用研究。此外，由于使用相互獨立的Cr和Si靶，因此增加了Si摻雜元素的化學計量比的控制。同時，采用高功率脈沖磁控濺射（HIPIMS）和直流脈沖濺射，不僅需要較高的設備投資，而且對工藝技術的控制也非常高。因此，有效地結合上述兩種元素的摻雜效應的優(yōu)點，在CrN基薄膜中形成適量的Al，Si和C元素，形成（Cr，Al，Si）（C，N）薄膜的研究已成為離子鍍CrN基多組分納米薄膜領域的研究熱點。

3 功能梯度納米多層涂層技術

不銹鋼表面上沉積功能梯度納米多層涂層的方法，該方法包括以下步驟：通過空心陰極電子束輔助脈沖偏壓多弧離子鍍沉積在鋼工件表面上的Cr基底層S400；S500在Cr基底層上沉積CrN過渡層；S600在所述CrN過渡層上沉積Cr（C，N）（或（Cr，Si）N）梯度層；S700通過空心陰極電子束輔助多弧離子鍍和脈沖偏壓離子束輔助磁控濺射在Cr（C，N）梯度層上沉積（Cr，Al，Si）（C，N）表面層，功能梯度納米多層涂層的總厚度為3至5μm，表面硬度值為 HV2400至3600。

步驟S400包括：通過惰性氣體入口裝置將Ar氣引入反應爐中；反應爐內的真空度保持在（5.0至9.0）×10-3Pa，空心陰極放電電子槍的電流為80至120A，施加在鋼制工件上的負偏壓為-200。每個獨立的是50到80A，工作時間是15到30分鐘，溫度不超過300°C。

步驟S500包括：通過惰性氣體入口裝置將Ar和N2氣體引入反應爐中，引入的N2氣體的流速為80-200ml/min，保持反應爐內的真空度（2.0-5.0）并且每個獨立地為50-80A，并且空心陰極放電電子槍的電流為120-160A，并且對鋼工件施加脈沖負偏壓：-200～-100V，工作時間20～40min，和溫度為不超過300℃。

步驟S600包括：通入的N2氣流量為400～800ml/min，使得C2H2：N2體積流量比為C2H2：N2=（5～20%）：（80-95%），將Ar氣引入反應爐中，反應爐內的真空度保持在（2.0-5.0）×10-2Pa。四Cr目標電弧的陰極電弧目標電流并且各自獨立為50-80A，空心陰極放電電子槍的電流為120-160A，施加在鋼制工件上的負偏壓為-200-100V，工作時間為20-40min和溫度為不超過300℃。

步驟S700包括：引入的N2氣體的流速為400-800ml/min，將Ar和C2H2氣體引入反應爐中，使引入的氣體與Ar的體積流量比為：C2H2：N2為（5～10%）：（8～15%）：（75-87%）保持反應器內的真空度（2.0-5.0）×10-2Pa，空心陰極放電電子槍的電流為120-160A，兩個Cr靶電弧源陰極兩個（Al，Si）靶磁控濺射源電流相同或不同，每個獨立地為2.0到4.0A，兩個（Al，Si）靶磁控濺射源相同或不同，各靶組分比獨立地為Al：Si=（80～90at%）：（10-20at%），施加在鋼制工件上的負偏差：-200～-100V，工作時間為60～120min，和溫度為不超過300℃。

4 結束語

功能梯度納米多層涂層技術有效地避免了磁過濾真空陰極弧、高功率磁控濺射以及等離子體浸沒注入沉積技術的高昂工藝成本令其遠未達到商業(yè)化推廣程度等因素；并且有效克服了傳統(tǒng)單一的離子鍍膜技術：多弧離子鍍存在的表面大顆粒污染使薄膜表面粗糙度偏高和磁控濺射離子鍍的離化率偏低導致薄膜結構不夠致密等技術缺陷。此外，采用功能梯度納米多層涂層技術處理的不銹鋼表面涂層顏色主要為灰黑色和槍黑色，振動試驗后涂層表面無明顯劃痕和變色。同時，經(jīng)過120小時的ISO標準鹽霧和人工汗液腐蝕試驗，涂層表面無腐蝕，白斑，斑點，生銹和鹽析。不銹鋼表面功能梯度納米多層涂層技術的工業(yè)化工藝，屬于環(huán)保型離子涂層復合表面處理技術，設計科學合理，結構簡單，工藝成本低。

參考文獻：

[1]張棟，孫麗麗，王振玉，等.離子束輔助磁控濺射沉積CrNx薄膜結構以及力學性能研究[J].真空科學與技術學報，2013，33（12）：

158-162.

[2]B. Warcholinsk， A. Gilewicz. Effect of substrate bias voltage on the properties of CrCN and CrN coatings deposited by cathodic arc evaporation[J]. Vacuum， 2013，90：145-150.

[3]Y. S. Yang， T. P. Cho， and H. W. Ye， The effect of deposition parameters on the mechanical properties of Cr-C-N coatings [J]. Surface & Coatings Technology， 2014，259：141-145.

[4]Q. Z. Wang， F. Zhou， Z. F. Zhou， etc. Influence of carbon concentration on the electrochemical behavior of CrCN coatings in simulated body fluid[J]. Surface & Coatings Technology， 2015，265：16-23.