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為改善工業純鐵的耐磨抗腐蝕性能,采用低偏壓高頻等離子浸沒離子注入及氮化技術(HLPⅢ) 對工業純鐵進行表面改性,然后利用非平衡磁控濺射技術(UBMS) 在低壓高頻等離子浸沒離子注入及氮化處理樣品表面制備Ti/TiN多層膜。研究發現,工業純鐵在3.5kV 脈沖電壓(頻率15.15kHz ,占空比25 %) 下等離子注入及氮化3h 后,表面形成了深度達4μm的氮化層,其相結構以ε-Fe₃N 和γ-Fe₄N 結構為主。等離子氮化及Ti/ TiN 多層薄膜沉積復合處理后,工業純鐵的硬度、耐磨損性能以及抗腐蝕性能均得到大大提高,等離子注入及氮化形成的氮化層有利于提高Ti/TiN多層薄膜與工業純鐵基體之間的結合力和耐磨性。

　　等離子體加工處理,例如氮化、碳化等,在工業刀具及零件上得到廣泛應用,這種方法可以改變金屬表面化學成分、結構,形成新相,從而提高材料表面的硬度、耐磨損以及抗腐蝕等特性,防止材料過早的失效。薄膜沉積技術是材料表面改性的一個重要手段,通過在材料表面上沉積不同功能的薄膜,從而提高材料表面的硬度、耐磨損等特性。薄膜沉積技術中,薄膜與基體的結合強度很重要,兩者之間的結合力一定程度上取決于基體的性質和結構。在沉積薄膜之前,用等離子體對基體表面進行處理,在基體表面形成一定特性的改性層,是提高薄膜與基體的結合力的關鍵,等離子氮化與薄膜沉積技術結合起來對材料表面進行復合改性,對提高材料的各項性能有著重大意義。

　　TiN 薄膜由于具有高硬度、優良的耐摩擦磨損性能、良好的抗腐蝕性能得到廣泛應用,在工件表面沉積TiN 薄膜之前進行等離子氮化有利于提高薄膜的耐磨性和薄膜與基體的結合強度,很多研究者首先對鈦合金、鋁合金、不銹鋼等材料進行等離子氮化處理,再沉積TiN 薄膜,改善了材料表面的機械性能并提高了膜基結合力,其硬度、耐磨損、抗氧化及抗腐蝕性能等明顯提高,有利于減少薄膜表面與基體開裂傾向, 同時改善其摩擦磨損性能。本文采用低壓高頻等離子浸沒離子注入及氮化技術(HLPIII)對工業純鐵進行表面處理,進一步利用非平衡磁控濺射技術(UBMS) 在氮化的工業純鐵上制備了Ti/TiN多層膜,研究了復合處理后材料的機械性能以及抗腐蝕性能。

實驗方法

樣品制備

　　將純度為99.8 %的工業純鐵加工成(<10mm ×1.5mm的試樣,依次用240# 到1200 # 的SiC 砂紙濕磨,再用1μm的金剛石拋光液對表面進行機械拋光。樣品處理前經過丙酮和酒精的超聲波清洗,并在真空室內經氬離子預濺射,去除樣品表面的污染物。

等離子氮化及TiN薄膜的制備

　　利用多功能等離子體浸沒離子注入設備進行高頻低壓等離子體浸沒離子注入及氮化,真空室本底真空度為2.5 ×10 ^{- 3} Pa ,通入氮氣,N₂ 分壓為0.5Pa ,利用射頻電感耦合方式激發形成氮等離子體,通過在工件上施加3.5kV (頻率15.15kHz ,占空比25 %) 的脈沖負偏壓對工業純鐵進行離子注入及氮化,等離子注入及氮化時間為3h。

　　利用UBMS450 型高真空非平衡磁控濺射設備,在離子注入及氮化后的工業純鐵表面進一步合成Ti/ TiN 多層薄膜。本底真空度為1.8 ×10 ^{- 3} Pa ,濺射靶材為純鈦(99.9 %) ,基體溫度為20 ℃,濺射電流3A ,基體負偏壓50V ,靶基距100mm ,制備TiN 薄膜時,氮氣和氬氣的流量比為8sccm∶60sccm ,制備純鈦薄膜時氮氣和氬氣的流量比為0∶60sccm ,一個調制周期內Ti 和TiN 沉積時間分別為72s 和182s , 共4 個周期,薄膜總厚度約為800nm。

　　3.5kV 電壓下離子注入及氮化的樣品以F3.5表示,氮化及沉積Ti/ TiN 多層薄膜復合處理的樣品以F3.5/ Ti/ TiN 表示,工業純鐵表面直接制備Ti/ TiN多層薄膜樣品以Fe/ Ti/ TiN 表示。

   工業純鐵等離子體氮化及Ti/ TiN多層薄膜沉積復合處理后樣品的機械性能以及抗腐蝕性,結果表明:工業純鐵通過低壓高頻等離子注入及氮化(HLPIII) 表面處理,在- 3.5kV 的脈沖偏壓下,表面形成了以ε- Fe₃N 和γ- Fe₄N 相為主的氮化層,利用直流反應非平衡磁控濺射進一步在氮化后樣品上制備Ti/ TiN 多層膜,經過復合處理后,樣品硬度和耐磨性進一步提高,在0.9wt %NaCl 溶液,其耐腐蝕性最好。復合處理和未經氮化的基體上Ti/ TiN 多層薄膜樣品的臨界載荷分別為12N 和2.3N ,說明工業純鐵經等離子注入及氮化后提高了膜基結合力。