一種在銅合金表面獲得高硬度、高耐磨性梯度層的改性方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種改性方法，具體涉及一種在銅合金表面獲得高硬度、高耐磨性梯度層的改性方法，屬于銅合金表面改性領域。
【背景技術】
[0002]銅合金具有優異的導電、導熱性能兼具良好的機械性能，因而被廣泛的應用于電子、汽車、船舶、航空、航天等工程技術領域。但是銅合金存在硬度低、強度低、耐磨性較差等缺點，使其在在摩擦領域應用范圍受到限制。應用表面改性技術可以在不同材料表面制備出多種具有優異性能的功能性膜層。目前銅合金表面改性技術包括:離子注入、激光改性、熱噴涂、磁控濺射鍍膜等。經上述表面改性處理后銅合金表面硬度和耐磨性得到了一定提高，但是仍存在一些問題制約表面改性技術在銅合金制件上的應用。離子注入層較薄，厚度一般不超過I μ m，無法使銅合金制件摩擦磨損性能得到有效提高。激光表面改性裂紋問題，銅合金良好的導熱性及對激光低的吸收率導致銅合金表面激光改性成為難點。銅合金表面熱噴涂或者表面濺射鍍硬質薄膜，膜層與銅基體線膨脹系數相差極大，在界面處存在較大應力，與基體的結合強度較低，涂層易脫落。因此，銅合金表面獲得高硬度、超高耐磨層，尚難實現。
[0003]梯度膜層的設計與制備是解決銅合金表面硬度低、耐磨性及膜層與基體之間結合力差的有效途徑。銅合金表面制備梯度膜層的技術要求為膜層與銅合金基體實現冶金結合，并且所制備銅合金耐磨層表面硬度高、截面硬度呈梯度分布。硬質薄膜在工業化生產中應用最為廣泛的是T1-N薄膜，其硬度值范圍很廣，能有效提高摩擦磨損性能及制件的壽命。另外，Cu與Ti之間能實現冶金結合。因此，將鍍CuxTiu x)膜與等離子體滲氮技術相結合，以期在銅合金表面獲得高硬度、超高耐磨性梯度改性層。
【發明內容】
[0004]本發明為解決銅合金表面硬度低、耐磨性差、與基本之間結合力差的問題，進而提出一種在銅合金表面獲得高硬度、高耐磨性梯度層的改性方法。
[0005]本發明為解決上述問題采取的技術方案是:本發明的具體步驟如下:
[0006]步驟一、采用非平衡磁控濺射鍍膜對銅合金表面進行鍍CuxTiu x)膜；
[0007]步驟二、對鍍膜后的銅合金表面進行等離子體滲氮處理。
[0008]本發明的有益效果是:本發明解決了銅合金基體與高硬度膜層之間結合力不足的問題。表面硬度相比于未處理銅合金基體大幅提高，最高達到1000HVaM。改性層具有優良的耐磨性，磨損率相比未處理銅合金降低了 90%以上。改善了現有技術中銅合金表面硬度、耐磨性較差等問題。有效提高銅合金的服役壽命與穩定性，具有很高的工程應用價值。
【附圖說明】
[0009]圖1a是6.3μπι Ti膜/C17200鈹青銅滲氮4h截面硬度分布曲線圖，圖1b是6.3 μπιTi膜/C17200鈹青銅滲氮4h基體與改性層磨損率對比結果圖，圖2a是6.3 μπι Ti膜/C61900鋁青銅擴散滲氮4h截面硬度分布曲線圖，圖2b是6.3 μπι Ti膜/C61900鋁青銅擴散滲氮4h基體與改性層磨損率對比結果圖。
【具體實施方式】
[0010]【具體實施方式】一:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種在銅合金表面獲得高硬度、高耐磨性梯度層的改性方法是通過如下步驟實現的:
[0011]步驟一、采用非平衡磁控濺射鍍膜對銅合金表面進行鍍CuxTiu x)膜；
[0012]步驟二、對鍍膜后的銅合金表面進行等離子體滲氮處理。
[0013]本實施方式的步驟一還可以采用濺射鍍膜、離子鍍膜、氣相沉積等技術對銅合金表面進行鍍膜；步驟二中對鍍膜后的銅合金表面還可以采用等離子體滲碳、滲氧、滲金屬等方法進行處理。
[0014]【具體實施方式】二:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種在銅合金表面獲得高硬度、高耐磨性梯度層的改性方法的步驟一的具體操作過程如下:
[0015]步驟A、將銅合金表面拋光，然后在銅合金表面鍍CuxTiu ^膜，其中O < x〈l ;
[0016]步驟B、膜層成分由濺射靶的功率調控；
[0017]步驟C、膜層厚度由濺射時間調控；
[0018]步驟D、使用氬氣作為非平衡磁控濺射方法的濺射氣體。
[0019]其它組成及連接關系與【具體實施方式】一相同。
[0020]【具體實施方式】三:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種在銅合金表面獲得高硬度、高耐磨性梯度層的改性方法的步驟B中Cu靶功率為O?lkW，Ti靶功率為0.5?3kW。其它組成及連接關系與【具體實施方式】二相同。
[0021]【具體實施方式】四:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種在銅合金表面獲得高硬度、高耐磨性梯度層的改性方法的步驟C中調控時間為2_8h。其它組成及連接關系與【具體實施方式】二相同。
[0022]【具體實施方式】五:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種在銅合金表面獲得高硬度、高耐磨性梯度層的改性方法的步驟D中氬氣的分壓為3.7 X 10 2Torr,磁控管電壓為400V，基底偏壓為70V，鍍膜過程中真空室溫度為20?200°C。其它組成及連接關系與【具體實施方式】二相同。
[0023]【具體實施方式】六:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種在銅合金表面獲得高硬度、高耐磨性梯度層的改性方法的步驟二中使用氣氛為氫氣和氮氣的混合氣體，等離子體滲氮溫度為600?800°C，保溫時間為0.5?4h，流量分別為0.lL/min、0?0.3L/min。其它組成及連接關系與【具體實施方式】一相同。
[0024]【具體實施方式】七:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種在銅合金表面獲得高硬度、高耐磨性梯度層的改性方法的步驟二中銅合金滲氮結束后在氮氣或氬氣保護下，從滲氮溫度隨爐冷卻至室溫，避免表面氧化。其它組成及連接關系與【具體實施方式】一相同。
[0025]實施例一:
[0026]步驟一、C17200鈹青銅經790°C固溶處理15min后，水淬，線切割加工成5mm的薄片，砂紙打磨、拋光至鏡面，用丙酮洗凈，冷風干燥；
[0027]步驟二、將步驟一得到的銅合金試樣放入非平衡磁控濺射設備，Cu靶功率為OkW，Ti靶功率為2.8kW，沉積時間為5h，得到6.3 μ m Ti膜;
[0028]步驟三、將步驟二得到的銅合金試樣放入脈沖等離子體多元共滲爐中，空心陰極輔助升溫至650±5°C，爐中氣氛流量分別為氫氣0.lL/min、氮氣0.lL/min，保溫時間為4h后冷卻至室溫；
[0029]步驟四、對改性層進行顯微硬度測試及摩擦磨損性能測試，硬度測試條件:采用HV-1000型維氏顯微硬度計，載荷為10g，加載時間為15s，摩擦磨損性能測試條件為:采用Pin-On-Disk-1-AUTO型摩擦磨損試驗機，對磨球為直徑5mm WC球，試驗在干摩擦條件下進行，正壓力4N，轉速為200r/min，試驗時間為1800s。
[0030]本實施例的改性層表面硬度達到982.68HVaQ1，磨損率降低了 96.28%，耐磨性得到大幅度提尚
[0031]實施例二:
[0032]步驟一、C17200鈹青銅經790°C固溶處理15min后，水淬，線切割加工成5mm的薄片，砂紙打磨、拋光至鏡面，用丙酮洗凈，冷風干燥；
[0033]步驟二、將步驟一得到的銅合金試樣放入非平衡磁控濺射設備，Cu靶功率為OkW，Ti靶功率為2.8kW，沉積時間為5h，得到6.3