具有硬质膜层的不锈钢制品及其制备方法

摘要

一种具有硬质膜层的不锈钢制品，其包括不锈钢基体、依次形成在不锈钢基体上的打底层、过渡层及硬质层，该打底层为Ti层；该过渡层为TiaCrb层，其中，1≦a≦2、2≦b≦3；该硬质层为TixCryNz层，其中，2≦x≦4、3≦y≦8及10≦z≦16。本发明还提供了由上述不锈钢制品的制备方法。

权利要求

1.一种具有硬质膜层的不锈钢制品，其包括不锈钢基体，其特征在于：该不锈钢制品还包括依次形成在不锈钢基体上的打底层、过渡层及硬质层，该打底层为Ti层；该过渡层为TiaCrb层，其中，1≦a≦2、2≦b≦3；该硬质层为TixCryNz层，其中，2≦x≦4、3≦y≦8及10≦z≦16，该不锈钢基体表层形成有离子注入层，该离子注入层的厚度为0.15～0.2μm，打底层形成在该离子注入层上。

2.如权利要求1所述的不锈钢制品，其特征在于：该离子注入层主要含有Fe元素、N元素。

3.如权利要求2所述的不锈钢制品，其特征在于：该离子注入层中，Fe与N的原子个数比为1:4～1:7。

4.如权利要求1所述的不锈钢制品，其特征在于：该硬质层的厚度为1.2～1.5μm。

5.如权利要求1所述的不锈钢制品，其特征在于：该过渡层的厚度为0.5～0.8μm。

6.一种具有硬质膜层的不锈钢制品的制备方法，其包括如下步骤：

提供不锈钢基体；

提供一真空镀膜装置，该真空镀膜装置包括一镀膜室、设置在该镀膜室内的钛靶、铬靶及射频电极，该射频电极用以离化金属原子及气体；

向该真空镀膜装置内通入氩气及氮气，在该不锈钢基体表层形成一离子注入层，该离子注入层的厚度为0.15～0.2μm；

将该不锈钢基体置于该真空镀膜装置内，开启所述钛靶，并向该射频电极通入电流，在不锈钢基体上形成一打底层，该打底层为Ti层；

同时开启所述钛靶和铬靶，在该打底层上形成一过渡层，该过渡层为TiaCrb层，其中，1≦a≦2、2≦b≦3；

以氮气为反应气体，同时开启所述钛靶和铬靶，在该过渡层上形成一硬质层，该硬质层为TixCryNz层，其中，2≦x≦4、3≦y≦8，10≦z≦16。

7.如权利要求6所述的不锈钢制品的制备方法，其特征在于：在所述离子注入过程中，射频电极的电流为5-8A，施加于不锈钢基体上的偏压为-1300～-1500V；氩气的流量为100～200sccm、氮气的流量为200～600sccm，注入时间为20～35min。

8.如权利要求6所述的不锈钢制品的制备方法，其特征在于：沉积所述硬质层的过程中，钛靶功率为4～6kw、铬靶功率为10～15kw；氮气的流量为300～500sccm；施加于不锈钢基体上施加的偏压为-1300～-1500V，沉积时间为25～50min。

说明书

具有硬质膜层的不锈钢制品及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种具有硬质膜层的不锈钢制品及其制备方法。

背景技术

[0002] 现代社会人们对电子产品的质量要求越来越高，不仅要求比较高的外观质量，同时还要经久耐用，这就要求电子产品表面要有比较高的硬度和耐磨性。

[0003] 真空镀膜(PVD)是一种非常环保的镀膜技术，已被广泛用来进行材料表面改性，提升材料表面性能。溅射沉积是真空镀膜方法的一种，其被广泛用于沉积硬质涂层。但是溅射沉积获得的涂层的致密度不够高，因此限制了涂层硬度的进一步提高。

发明内容

[0004] 鉴于此，提供一种具有硬质膜层的不锈钢制品，该不锈钢制品具有较高硬度。

[0005] 另外，还有必要提供一种上述不锈钢制品的制备方法。

[0006] 一种具有硬质膜层的不锈钢制品，其包括不锈钢基体、依次形成在不锈钢基体上的打底层、过渡层及硬质层，该打底层为Ti层；该过渡层为TiaCrb层，其中，1≦a≦2、2≦b≦3；该硬质层为TixCryNz层，其中，2≦x≦4、3≦y≦8及10≦z≦16，该不锈钢基体表层形成有离子注入层，该离子注入层的厚度为0.15～0.2μm，打底层形成在该离子注入层上。

[0007] 一种具有硬质膜层的不锈钢制品的制备方法，其包括如下步骤：

[0008] 提供不锈钢基体；

[0009] 提供一真空镀膜装置，该真空镀膜装置包括一镀膜室、设置在该镀膜室内的钛靶、铬靶及射频电极，该射频电极用以离化金属原子及气体；

[0010] 向该真空镀膜装置内通入氩气及氮气，在该不锈钢基体表层形成一离子注入层，该离子注入层的厚度为0.15～0.2μm；

[0011] 将该不锈钢基体置于该真空镀膜装置内，开启所述钛靶，并向该射频电极通入电流，在不锈钢基体上形成一打底层，该打底层为Ti层；

[0012] 同时开启所述钛靶和铬靶，在该打底层上形成一过渡层，该过渡层为TiaCrb层，其中，1≦a≦2、2≦b≦3；

[0013] 以氮气为反应气体，同时开启所述钛靶和铬靶，在该过渡层上形成一硬质层，该硬质层为TixCryNz层，其中，2≦x≦4、3≦y≦8，10≦z≦16。

[0014] 经上述处理后制得的不锈钢制品的表面显微维氏硬度为800HV0.025～1000HV0.025。所述不锈钢制品上形成的膜层组织均匀、致密性高。

附图说明

[0015] 图1是本发明较佳实施方式不锈钢制品的剖视示意图；

[0016] 图2是本发明较佳实施方式真空镀膜装置的示意图。

[0017] 主要元件符号说明

[0018] 不锈钢制品      10

[0019] 不锈钢基体      11

[0020] 离子注入层      111

[0021] 打底层          13

[0022] 过渡层          15

[0023] 硬质层          17

[0024] 真空镀膜装置    200

[0025] 镀膜室          20

[0026] 真空泵          30

[0027] 钛靶            22

[0028] 铬靶            23

[0029] 轨迹            26

[0030] 气源通道        27

[0031] 如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

[0032] 请参阅图1，本发明一较佳实施例的具有硬质涂层的不锈钢制品10包括不锈钢基体11、打底层13、过渡层15及硬质层17。

[0033] 该不锈钢基体11表层形成有一离子注入层111。所述打底层13形成于该离子注入层111上。该离子注入层111中主要含有Fe元素、N元素，Fe与N的原子个数比为1:4～1:7。该离子注入层111的厚度为0.1～0.2μm。

[0034] 该打底层13为Ti层。该打底层13的厚度为0.3～0.5μm。

[0035] 该过渡层15为TiaCrb层，其形成于打底层13的表面。TiaCrb中，1≦a≦2、2≦b≦3。该过渡层15的厚度为0.5～0.8μm。

[0036] 该硬质层17为TixCryNz层，其形成于过渡层15的表面。TixCryNz中，2≦x≦4、3≦y≦8及10≦z≦16。该硬质层17的厚度为1.2～1.5μm。

[0037] 本发明还提供所述具有硬质层的不锈钢制品的制备方法，主要包括如下步骤：

[0038] (1)提供不锈钢基体11。

[0039] (2)对不锈钢基体11进行离子注入处理。

[0040] 请结合参见图2，提供一真空镀膜装置200，其包括一镀膜室20及连接于镀膜室20的一真空泵30，真空泵30用以对镀膜室20抽真空。该镀膜室20内设有转架(未图示)、相对设置的二钛靶22、相对设置的二铬靶23及固设在该镀膜室20顶壁上的射频电极(未图示)。转架带动不锈钢基体11沿圆形的轨迹26公转，且不锈钢基体11在沿轨迹26公转时亦自转。每一钛靶22及每一铬靶23的两端均设有气源通道27，气体经该气源通道27进入所述镀膜室20中。

[0041] 该射频电极用以离化从钛靶22及铬靶23溅射出的钛原子、铬原子，形成钛等离子体、铬等离子体；同时还可离化氩气、氮气等气体，形成氩气等离子体、氮气等离子体。

[0042] 将不锈钢基体11固定于真空镀膜机200的镀膜室20中的转架上，将该镀膜室20抽真空至2×10-1Pa～8×10-1Pa，加热所述镀膜室20至200～250℃(即离子注入的温度为200～250℃)，设置该射频电极的电流为5-8A，施加于不锈钢基体11上的偏压为-1300～-1500V；向该镀膜室20内通入氮气及氩气，氩气的流量为100～200标准毫升/分钟(sccm)、氮气的流量为200～600sccm，离子注入时间为20～35min。如此，在不锈钢基体11的表层形成一离子注入层111。

[0043] 在该离子注入过程中，射频电极放电用以离化氩气、氮气，形成氩等离子体、氮等离子体。

[0044] 该离子注入层111中主要含有Fe元素、N元素，Fe元素来自不锈钢基体11本身，N元素来自被射频电极离化形成的氮等离子体。该离子注入层111中，Fe与N的原子个数比为1:4～1:7。该离子注入层111的厚度为0.1～0.2μm。所述离子注入层111可提高所述不锈钢基体11的硬度。

[0045] (3)在不锈钢基体11上沉积一打底层13。

[0046] 该打底层13为Ti层。设置该射频电极的电流为5-8A、所述镀膜室20的温度为150～200℃(即溅射温度为150～200℃)，调节氩气流量至100～200sccm；开启所述钛靶的电源，并设定其功率为3～5kw，于不锈钢基体11上施加-300～-350V的偏压，沉积打底层13。沉积该打底层13的时间为8～15min。该打底层13的厚度为0.3～0.5μm。

[0047] (4)在打底层13上沉积一过渡层15。

[0048] 保持所述射频电极的电流不变，调节氩气流量至100～150sccm，设置所述镀膜室至150～180℃(即溅射温度为150～180℃)；同时开启所述钛靶及铬靶的电源，并设定钛靶功率为5～7kw，铬靶功率为8～12kw，于不锈钢基体11上施加-350～-400V的偏压，沉积过渡层15。沉积该过渡层15的时间为15～25min。

[0049] 在形成所述过渡层15的过程中，部分从钛靶22及铬靶23溅射出的钛原子、铬原子被射频电极离化成等离子体，如此可提高过渡层15与打底层13的结合力、过渡层15的致密性。

[0050] 该过渡层15为TiaCrb层，其中，1≦a≦2、2≦b≦3。该过渡层15的厚度为0.5～0.8μm。

[0051] (5)在过渡层15上沉积一硬质层17。

[0052] 保持所述射频电极的电流、溅射温度不变，调节氩气流量至150～200sccm；设定钛靶功率为4～6kw、铬靶功率为10～15kw；向通入氮气，氮气的流量为300～500sccm；于不锈钢基体11上施加-1300～-1500V的偏压，沉积硬质层17。沉积该硬质层17的时间为25～50min。

[0053] 在形成所述硬质层17的过程中，部分从钛靶22及铬靶23溅射出的钛原子、铬原子被射频电极离化成等离子体，提高了硬质层17中Ti原子及Cr原子与N原子之间的键合力、硬质层17内组织的均匀性及致密性，进而提高硬质层17的硬度。

[0054] 该硬质层17为TixCryNz层，其中，2≦x≦4、3≦y≦8，10≦z≦16。该硬质层17的厚度为1.2～1.5μm。

[0055] (6)对所述形成硬质层17的不锈钢基体11进行液氮冷却处理。

[0056] 向镀膜室20内通入液氮，以3～5℃/min的降温速率将镀膜室20内的温度降至100℃，并保持镀膜室20内的压力为2～5Pa；再以5～6℃/min的降温速率将镀膜室20内的温度由100℃降至70℃，并保持镀膜室20内的压力为1～2Pa。

[0057] 所述液氮冷却处理，可降低不锈钢基体11与打底层13之间及各膜层之间的应力，提高膜基之间的结合力、不锈钢制品10的耐刮擦性能。

[0058] 经上述处理后制得的不锈钢制品10的表面显微维氏硬度为800HV0.025～1000HV0.025。所述不锈钢制品10上形成的膜层均匀、致密性高。

[0059] 实施例1

[0060] (1)提供一不锈钢基体11。

[0061] (2)对不锈钢基体11进行离子注入处理。

[0062] 所述镀膜室20内的真空度为2×10-1Pa，离子注入的温度为220℃，射频电极的电流6A，施加于不锈钢基体11上的偏压为-1400V；氩气的流量为150sccm、氮气的流量为
400sccm，注入时间为30min。

[0063] 该离子注入层111的厚度为0.15μm。

[0064] (3)在不锈钢基体11上沉积一打底层13。

[0065] 保持该射频电极的电流、氩气流量不变；设置溅射温度为170℃、钛靶的功率为4kw，施加于不锈钢基体11上的偏压为-300V，沉积时间为10min。该打底层13的厚度为0.4μm。

[0066] (4)在打底层13上沉积一过渡层15。

[0067] 保持所述射频电极的电流、氩气流量及溅射温度不变，设置钛靶的功率为6kw、铬靶的功率为10kw，施加于不锈钢基体11上的偏压为-400V，沉积时间为20min。该过渡层15的厚度为0.6μm。

[0068] (5)在过渡层15上沉积一硬质层17.

[0069] 保持所述射频电极的电流、溅射温度不变，设置氩气流量为180sccm；并设置钛靶的功率为5kw、铬靶的功率为12kw；向镀膜室20通入400sccm流量的氮气；施加于不锈钢基体11上的偏压为-1400V，沉积时间为40min。该硬质层17的厚度为1.4μm。

[0070] (6)对所述形成硬质层17的不锈钢基体11进行液氮冷却处理。

[0071] 向镀膜室20内通入液氮，以3℃/min的降温速率将镀膜室20内的温度降至100℃，并保持镀膜室20内的压力为4Pa；再以5℃/min的降温速率将镀膜室20内的温度由100℃降至70℃，并保持镀膜室20内的压力为2Pa。

[0072] 经上述方法形成的不锈钢制品10的表面显微维氏硬度为815HV0.025。

[0073] 实施例2

[0074] (1)提供一不锈钢基体11。

[0075] (2)对不锈钢基体11进行离子注入处理。

[0076] 所述镀膜室20内的真空度为5×10-1Pa，离子注入的温度为250℃，该射频电极的电流8A，施加于不锈钢基体11上的偏压为-1500V；氩气的流量为200sccm、氮气的流量为600sccm，注入时间为30min。

[0077] 该离子注入层111的厚度为0.15μm。

[0078] (3)在不锈钢基体11上沉积一打底层13。

[0079] 保持该射频电极的电流不变，调节氩气流量至150sccm、溅射温度为200℃；设置钛靶的功率为5kw，施加于不锈钢基体11上的偏压为-350V，沉积时间为10min。该打底层13的厚度为0.5μm。

[0080] (4)在打底层13上沉积一过渡层15。

[0081] 保持所述射频电极的电流、氩气流量及溅射温度不变，设置钛靶的功率为7kw、铬靶的功率为12kw，施加于不锈钢基体11上的偏压为-400V，沉积时间为25min。该过渡层15的厚度为0.7μm。

[0082] (5)在过渡层15上沉积一硬质层17

[0083] 保持所述射频电极的电流、溅射温度不变，设置氩气流量至200sccm；设置钛靶的功率为6kw、铬靶的功率为15kw；向镀膜室20通入500sccm流量的氮气；施加于不锈钢基体11上的偏压为-1500V的偏压，沉积时间为40min。该硬质层17的厚度为1.5μm。

[0084] (6)对所述形成硬质层17的不锈钢基体11进行液氮冷却处理。

[0085] 向镀膜室20内通入液氮，以5℃/min的降温速率将镀膜室20内的温度降至100℃，并保持镀膜室20内的压力为4Pa；再以6℃/min的降温速率将镀膜室20内的温度由100℃降至70℃，并保持镀膜室20内的压力为1Pa。

[0086] 经上述方法形成的不锈钢制品10的表面显微维氏硬度为1000HV0.025。