一種硼碳氮化鈦(Ti(B,C,N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法
【專利摘要】一種硼碳氮化鈦陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法，克服現有制備薄膜材料的方法成本高，設備復雜和薄膜質量難控制等缺點。具體步驟是：一、準備基體材料。二、配制由硼鐵、碳化硼、木炭、氟硼酸鉀、碳化硅組成的鍍膜劑；三，裝盒，固體鍍膜劑鋪底，把鈦礦粉放在中間，把待鍍膜的基體材料置于鈦礦粉末中，鈦礦粉四周及上面充填固體鍍膜劑，四，加熱鍍膜；五、出料；本發明的技術效果是：節省了現有鍍膜方法使用的反應罐、供電系統和氣體控制系統，直接用固體鍍膜劑產生B、C和N活性原子和Ti發生反應生成硼碳氮化鈦薄膜。薄膜的熔點在3000℃以上。具有優良的導電性，室溫電導率為~10-7Ωm，硬度高，其數值在18-40GPa之間，在硫酸、鹽酸和硝酸中不腐蝕。
【專利說明】—種硼碳氮化鈦(Ti (B, C1 N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于冶金領域、具體涉及一種在基體表面鍍覆陶瓷薄膜的方法。
【背景技術】
[0002]以金屬氧化物、金屬氮化物、金屬碳化物或金屬間化合物等無機化合物為原料，在基體材料表面制備成的薄膜統稱為陶瓷薄膜。薄膜的厚度一般為0.01 μ m至數微米。
[0003]按照使用功能可以把陶瓷薄膜分為光學薄膜、電學薄膜和機械薄膜等。光學薄膜和電學薄膜主要用于制作電子和光學器件，機械薄膜通常涂鍍在工具、磨具和機械零件的表面，具有高硬度、高耐腐蝕性和好的抗氧化能力強。常見的機械陶瓷薄膜材料有TiC、TiN和TiCN等。TiC薄膜硬度高、TiN薄膜韌性好些。Ti(C，N)是在TiN中固溶了 C元素形成的一種三元化合物。而Ti (B, N)是一種含有B元素的TiN，保持著原來的面心立方結構，但其性能得到了明顯優化。Ti (B，C，N)可以看作是在Ti (C，N)中添加了 B元素形成的四元化合物，比Ti (C，N)具有更好的性能，尤其是在自潤滑性方面。
[0004]應用于制備Ti (B, C，N)薄膜的現有方法有:
[0005]1、真空蒸鍍工藝:此方法使用較早，工藝簡單。其基本原理是通過蒸發將原料加熱或升華，使氣相原子或分子穿過真空空間。蒸鍍熱源有電阻加熱蒸發和電子束轟擊蒸發等。由于每次加熱時間很短，陶瓷靶料還未分解就以分子或分子團的形式蒸發在襯底上，通常能得到和靶材成分一致的薄膜。但是，設備較昂貴。
[0006]2、陰極電弧離子鍍:陰極電弧離子鍍方法具有成膜速度快、膜層致密、膜基結合力強、靶材直接被電弧氣化而無熔池、離化率高和施鍍空間內等離子體均勻等特點，較廣泛地應用于工具模和刀具表面TiN和TiC硬質膜的制備及各種金屬非金屬表面仿金彩色裝飾膜的制備。缺點是設備比較復雜，工藝不好控制。
[0007]3、磁控濺射:磁控濺射具有成膜致密、均勻，不會造成液滴噴濺等優點。然而，傳統磁控濺射存在成膜速度慢、靶材利用率低的問題；此外，陰極的磁場將等離子體緊密地約束在靶面附近，而工件附近的等離子體很弱。
【發明內容】
[0008]本發明的目的是提供一種硼碳氮化鈦(Ti (B, C，N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法，克服現有制備Ti (B, C，N)薄膜材料的方法成本高，設備復雜和薄膜質量難控制等缺點。
[0009]本發明的上述目的通過以下技術方案實現:
[0010]具體步驟如下:
[0011]步驟一，準備基體材料
[0012]這里所指的基體材料是鋼鐵材料、陶瓷材料、半導體材料和石英等；
[0013]步驟二，配制固體鍍膜劑
[0014]固體鍍膜劑的配方是:5?15%硼鐵(B-Fe)、2?8%碳化硼(BC4)、5?10%木炭、2?6%氟硼酸鉀(KBF4)、其余為碳化硅(SiC)(均為重量百分數);
[0015]步驟三，裝盒
[0016]準備好料盒，先用按步驟二把配制好的固體鍍膜劑鋪底，把鈦礦粉放在中間，把待鍍膜的基體材料置于鈦礦粉末中，鈦礦粉四周及上面充填固體鍍膜劑，用蓋子把料盒蓋上。其中，鈦礦粉的含鈦量大于10at%，每鍍覆I平方厘米薄膜所需要的鈦礦粉和鍍膜劑的匹配使用量分別是20?40克和300?800克
[0017]步驟四，鍍膜
[0018]把裝好的料盒放在電阻爐內加熱，，加熱溫度為660?1200°C，時間為I?6小時；
[0019]步驟五，出料
[0020]將料盒從爐內取出，待料盒充分冷卻后，把鍍膜的材料取出，便在基體材料表面獲得了具有面心立方結構的Ti (B，C，N)陶瓷薄膜。
[0021]加熱時也可以向電阻爐內通入保護氣氛，保護氣氛是液態氨的分解產物。裝盒時可以用鈦粉末替代鈦礦粉。使用鈦粉末時所需要的鈦粉量減少，每鍍覆I平方厘米薄膜需要的鈦粉量是10?20克。
[0022]在660°C以上溫度，固體鍍膜劑同時產生活性[B]和[C]原子；同時，保護氣氛或空氣產生活性[N]原子，這三種活性原子和Ti發生化學反應生成化合物，在基體材料表面實現鍍膜。
[0023]本發明的技術效果:
[0024]本發明制備的陶瓷薄膜不同于現有Ti (B, C，N)薄膜材料，它是一種TiN基陶瓷薄膜材料，仍然具有面心立方晶體結構，但是其中N元素的成分比例在30at%左右(原子百分數)，占主導地位(除Ti以外)。其中B元素的成分僅占0.2-10at%。Ti (B，C，N)薄膜的化學式可以表示成TiBx，Cy, Nz，其中x、y和z分別代表B、C和N元素的化學組分。用本申請書提出的固體鍍膜法制備的薄膜的成分范圍在40-70&丨％之間；氮組分次之，范圍為20-40at% ;硼的組分遠遠小于氮的組分，在0.2-10at%范圍。碳的組分和硼的組分相當。
[0025]制成的薄膜材料的結構特征是，它具有氯化鈉型面心立方點陣結構，其中鈦原子占據與鈉原子相當的位置，B、C和N元素占據與氯原子相當的位置。Ti(B，C，N)薄膜顏色呈紫銅色，室溫為固體狀態，熔點在3000°C以上。具有優良的導電性，室溫電導率為?1-7Qm0硬度高，其數值在18-40GPa之間。在硫酸、鹽酸和硝酸中不腐蝕。
[0026]本發明方法的創新性體現在:節省了現有鍍膜方法必須使用的反應罐、供電系統和氣體控制系統，直接使用固體鍍膜劑產生B、C和N活性原子，和Ti發生化學反應，在基體材料表面生成Ti (B, C，N)薄膜材料。
[0027]本方法可以在不同材料鍍膜，圖1是在不銹鋼表面涂鍍的薄膜材料的掃描電鏡(SEM)照片，薄膜有納米顆粒組成，厚度在幾個微米，和基體結合很好。圖2是在不銹鋼表面薄膜的X-射線圖，結構符合面心立方結構。圖3是在石英表面薄膜的SEM照片。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]圖1Ti (B, C，N)不銹鋼表面薄膜SEM照片。
[0029]圖2Ti (B, C，N)不銹鋼表面薄膜的X-射線圖，符合面心立方結構。
[0030]圖3Ti (B，C，N)石英表面薄膜SEM照片。
【具體實施方式】
[0031]實施例一:
[0032]1、以316不銹鋼絲網為基體，絲網孔徑為300目、絲的直徑為25微米；
[0033]2、配制固體鍍膜劑
[0034]稱量10公斤B-Fe (硼鐵);5公斤BC4 ；5公斤木炭；5KBF4和75公斤SiC0它們均為粉末狀，顆粒度在200目以上。把這些粉末在混料機內混合24小時。無任何添加劑。混合后備用；
[0035]3、準備 Ti 粉
[0036]Ti粉為市場銷售的Ti粉，粒度為200目或其它規格，純度95%。
[0037]4、裝盒
[0038]把Ti粉末裝入料盒，把待鍍膜材料置于Ti粉末中。用固體鍍膜劑充填、包圍Ti粉末及基體材料。
[0039]5、鍍膜
[0040]把裝有Ti粉末及基體材料的料盒放置在封閉的電阻爐內加熱，通入分解氨保護氣氛，氣體成分為30% N2+70% H2,氣體流速為2?4cm/s，加熱溫度是700°C，保溫時間是2小時。
[0041]6、出料
[0042]把基體材料從料盒中取出，便能見到不銹鋼絲網表面上的紫色薄膜。
[0043]實施例二:
[0044]1、準備基體材料
[0045]基體材料是石英板，厚度為2mm,面積尺寸為50mmx50mm配制固體鍍膜劑
[0046]2、稱量10公斤B-Fe (硼鐵)；4公斤BC4 ；6公斤木炭；5KBF4和75公斤SiC0它們均為粉末狀，顆粒度在200目。把這些粉末在混料機內混合24小時。無任何添加劑。混合后備用。
[0047]3、準備Ti礦粉
[0048]使用鈦礦粉，其中Ti含量為30%，顆粒度為200目。
[0049]4、裝盒
[0050]把Ti礦粉末裝入料盒，把待鍍膜陶瓷板置于Ti礦粉中。用固體鍍膜劑充填、包圍Ti礦粉及石英基體材料。
[0051]5、鍍膜
[0052]把裝有Ti礦粉及石英基體材料的料盒放置在電阻爐內加熱，在空氣中加熱，加熱溫度是1000°c，保溫時間是2小時。
[0053]6、出料
[0054]把基體材料從料盒中取出，便能見到基體表面上的紫色薄膜，如圖3所示。薄膜具有優良的導電性，室溫電導率為?10_7Ωπι。硬度數值在18?40GPa之間。和硫酸、鹽酸和硝酸不發生反應。
【權利要求】
1.一種硼碳氮化鈦(Ti (B，C，N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法，其特征在于，有如下具體步驟: 步驟一、準備需鍍膜的基體材料； 步驟二、配制固體鍍膜劑 固體鍍膜劑使用的原料及所用原料的重量百分比為:5?15%硼鐵(B-Fe)、2?8%碳化硼(BC4)、5?10%木炭、2?6%氟硼酸鉀(KBF4)、其余為碳化硅(SiC)，將前述原料粉碎成細粉、混合均勻，即完成固體鍍膜劑的制備； 步驟三、裝盒 選容積相應的料盒，先用步驟二配制好的固體鍍膜劑鋪底，把鈦礦粉放在料盒內的中間位置，把待鍍膜的基體材料置于鈦礦粉末中，鈦礦粉四周及上面充填步驟二所配制的固體鍍膜劑，蓋上盒蓋，其中，鈦礦粉的含鈦量大于10at%，每鍍覆I平方厘米薄膜所需要的鈦礦粉和鍍膜劑的匹配使用量分別是20?40克和300?800克； 步驟四、鍍覆 把完成步驟三的料盒放在電阻爐內加熱，加熱溫度為660?1200C，時間為I?6小時； 步驟五、出料 將料盒從完成步驟四的加熱爐內取出，待料盒充分冷卻后，取出基體，在基體材料表面得具有面心立方結構的硼碳氮化鈦(Ti (B，C，N))陶瓷薄膜。
2.根據權利要求1所述的硼碳氮化鈦(Ti(B，C，N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法，其特征是:在步驟(4)的鍍膜過程中，加熱爐內充入氨，分解的氣體用于形成氮保護氣氛。
3.根據權利要求1所述的硼碳氮化鈦(Ti(B，C，N))陶瓷薄膜在基體表面的鍍覆方法，其特征是:用鈦粉替換鈦礦粉，鈦粉的純度為95?99%，每鍍覆I平方厘米薄膜所需要的鈦粉和鍍膜劑的匹配使用量分別是10?20克和300?800克。
【文檔編號】C23C24/08GK104233280SQ201410432545
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月28日 優先權日:2014年8月28日
【發明者】胡建東, 孟繁有, 孔凡, 王耀民 申請人:長春東基材料科技有限公司