專利名稱：形成納米復(fù)合層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在基體上尤其是固態(tài)金屬或金屬合金基體上鍍覆或沉積不銹鋼納米復(fù)合層的方法，以及由此鍍覆得到的制品。
背景技術(shù)：
不銹鋼被應(yīng)用于許多用途和行業(yè)，包括可佩帶的、裝飾性的或便攜的物品，比如表殼、表帶、手鐲、眼鏡架、珠寶和移動(dòng)電話。由于為了美觀的原因，采用了各種表面修飾，比如拋光、去污和噴砂。
不銹鋼的維氏硬度通常為200HV。此相對(duì)低的硬度導(dǎo)致了在日常使用中不銹鋼易于被刮傷或損壞。這就玷污了上述物品特別是表殼和表帶的外觀和吸引力，從而影響了這些產(chǎn)品的價(jià)值。
因此，人們采用了各種方法來(lái)處理不銹鋼以提高其硬度，包括比如滲氮和滲碳。在滲氮過(guò)程中，通過(guò)形成氮化物而使不銹鋼的表面被硬化。一般通過(guò)在氨氣中加熱不銹鋼的方式將氮引入不銹鋼中。在滲碳過(guò)程中，通過(guò)接觸含碳物質(zhì)將低碳不銹鋼的外層變成高碳不銹鋼。滲氮和滲碳兩種方法均顯著提高了不銹鋼的表面硬度。經(jīng)過(guò)滲碳處理的不銹鋼的表面硬度可達(dá)到約800HV；而經(jīng)過(guò)滲氮處理其表面硬度可達(dá)到約600HV。但是，兩種方法均需要長(zhǎng)時(shí)間的高溫處理。例如，滲氮必須在524-549℃溫度下進(jìn)行，整個(gè)工藝要花費(fèi)24至48個(gè)小時(shí)。滲碳要求達(dá)到1000℃的更高溫度，整個(gè)工藝需要?dú)v時(shí)約20個(gè)小時(shí)。
滲氮和滲碳方法都基于固態(tài)擴(kuò)散原理，其中，雜質(zhì)原子比如氮和碳從不銹鋼表面擴(kuò)散進(jìn)入大塊基體的內(nèi)部。擴(kuò)散濃度的分布呈現(xiàn)梯度，擴(kuò)散深度一般在20-30微米。通過(guò)被氮化的不銹鋼形成氮化鉻以及被碳化的不銹鋼形成碳化鉻來(lái)提高被處理的不銹鋼的硬度。被處理的不銹鋼的表面硬度最高，此處氮化鉻或碳化鉻的濃度最高，并且隨著向大塊基體內(nèi)部延伸深度的增加而降低。
如上所述，滲氮和滲碳需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間和較高的處理溫度，從而降低了生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率，增加了生產(chǎn)成本。另外，滲氮和滲碳工藝也存在以下缺陷。首先，獲得被處理不銹鋼的硬度和耐磨性是以損害其耐腐蝕性為代價(jià)的。因?yàn)闆]有新鉻補(bǔ)充，氮化鉻或碳化鉻的形成將耗盡初始不銹鋼晶粒內(nèi)的鉻含量，從而有害地影響了被處理不銹鋼的耐腐蝕能力。
其次，滲氮和滲碳僅能用于具有較高初始鉻濃度的奧氏體不銹鋼基體，而不能用于馬氏體不銹鋼基體。
第三，為了提高擴(kuò)散效率，被處理不銹鋼的氮或碳的表面濃度相當(dāng)高，從而會(huì)使被處理的不銹鋼表面暗化或受損。因此，需要在擴(kuò)散之后對(duì)進(jìn)行表面處理比如拋光，以盡可能地將被處理不銹鋼的表面恢復(fù)到初始顏色。一般用手工方式進(jìn)行此處理，因而缺乏可控性和一致性。
另外一種硬化不銹鋼表面的方法是，通過(guò)電鍍?cè)谄渖闲纬上鄬?duì)厚比如超過(guò)10微米的鉻或鎢層。但是，經(jīng)過(guò)這樣處理的不銹鋼的表面顏色也遠(yuǎn)不同于平常不銹鋼的顏色。電鍍不銹鋼的硬度還低于滲氮或滲碳的不銹鋼。通過(guò)物理氣相沉積也能將鉻和鎢的碳化物沉積在不銹鋼基體上，使得被處理基體的表面具有高硬度。但是，經(jīng)過(guò)這樣處理的不銹鋼的表面顏色仍然略不同于平常的不銹鋼，從而妨礙了由這種處理不銹鋼所制成的產(chǎn)品在市場(chǎng)上獲得廣泛認(rèn)可。
另外，由于一些金屬和合金比如銅、銅合金、鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、鈦和鈦合金幾乎沒有或不含鉻，因此由這些原料做成的基體既不可能滲氮，也不可能滲碳。金屬硬鉻的電鍍僅可適用于銅及其合金的鍍覆。鋁及其合金、鎂及其合金、鈦及其合金在電解溶液中氧化很快，并且變成不導(dǎo)電體，從而阻止了電鍍。盡管通過(guò)物理氣相沉積(PVD)可以將高硬度的各種碳化物和氮化物層沉積在這些基體上，但是這些碳化物或氮化物的外觀遠(yuǎn)不同于不銹鋼。而且，陶瓷比如碳化物或氮化物的PVD使用例如頻率為13.56MHz的射頻(RF)電源，并且低沉積速率大大增加了制造成本。
因此，本發(fā)明目的之一是提供一種在固態(tài)金屬或金屬合金基體上沉積納米復(fù)合層以提高基體表面硬度的方法，其減輕了上述討論的常規(guī)方法所涉及的缺點(diǎn)，或者至少向公眾提供了一種有用的替代方法。
本發(fā)明的另一目的是依據(jù)此處公開的方法提供沉積了納米復(fù)合層的制品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供了一種在金屬或金屬合金基體上沉積納米復(fù)合層的方法，其包括步驟(a)提供至少一種金屬或金屬合金基體；(b)在所述至少一種基體上沉積不銹鋼；(c)在所述至少一種基體上沉積第一種金屬的碳化物或氮化物；和(d)在所述至少一種基體上形成所述不銹鋼和所述第一種金屬碳化物或氮化物的納米復(fù)合層。
本發(fā)明的第二方面提供了一種沉積了納米復(fù)合層的金屬或金屬合金制品，所述納米復(fù)合層的沉積方法包括步驟(a)提供所述金屬或金屬合金制品；(b)在所述制品上沉積不銹鋼；(c)在所述制品上沉積金屬碳化物或金屬氮化物；和(d)在所述制品上形成所述不銹鋼和金屬碳化物或金屬氮化物的納米復(fù)合層。
本發(fā)明涉及一種在金屬或金屬合金基體上沉積納米復(fù)合層的方法，它包括以下步驟a)提供至少一種金屬或金屬合金基體；b)在所述至少一種基體上沉積不銹鋼；c)在所述至少一種基體上沉積第一種金屬的碳化物或氮化物；和d)使得在所述至少一種基體上形成所述不銹鋼和所述第一種金屬的碳化物或氮化物的納米復(fù)合層。
如上所述的方法，其中，所述基體至少主要由不銹鋼制成。
如上所述的方法，其中，所述基體的硬度基本上與待沉積到所述基體上的不銹鋼的硬度一樣。
如上所述的方法，其中，所述基體至少主要由銅、鋁、鎂、鈦或任何這些金屬的合金制成。
如上所述的方法，其中，所述第一種金屬是鉻、鎢、鉭或鈦。
如上所述的方法，它還包括提供沉積于所述至少一種基體上的不銹鋼來(lái)源的步驟。
如上所述的方法，它還包括提供所述第一種金屬來(lái)源的步驟。
如上所述的方法，它還包括提供沉積于所述至少一種基體上的所述第一種金屬來(lái)源和所述不銹鋼來(lái)源的步驟。
如上所述的方法，其中，沉積于所述基體上的所述第一種金屬和所述不銹鋼的來(lái)源是不銹鋼和所述第一種金屬的合金。
如上所述的方法，它還包括不銹鋼和所述第一種金屬原子的反應(yīng)共濺射步驟。
如上所述的方法，它還包括在所述基體和所述納米復(fù)合層之間形成第二種金屬層的步驟。
如上所述的方法，其中，所述第二種金屬為鈦、鋯、鉿或釩。
如上所述的方法，其中，所述第二種金屬層的厚度約0.01至0.20微米。
如上所述的方法，它還包括提供碳源的步驟。
如上所述的方法，其中，所述碳源是氣態(tài)烴。
如上所述的方法，其中，所述氣態(tài)烴是甲烷或乙炔。
如上所述的方法，它還包括提供氮源的步驟。
如上所述的方法，其中，所述氮源是氮?dú)饣虬薄?br> 如上所述的方法，它還包括在沉積不銹鋼和所述第一種金屬的所述碳化物或氮化物的過(guò)程中，使所述至少一種基體為負(fù)偏壓的步驟。
如上所述的方法，其中，偏壓在-20V至-200V之間。
如上所述的方法，它還包括步驟(e)將所述至少一種基體放置在第一位置，以便于在其上沉積不銹鋼；(f)將所述至少一種基體放置在第二位置，以便于在其上沉積所述第一種金屬的所述碳化物或氮化物；和(g)使所述至少一種基體遠(yuǎn)離所述第一和第二位置，以使得在所述至少一種基體上形成所述不銹鋼和所述第一種金屬的所述碳化物或氮化物的納米復(fù)合層。
如上所述的方法，它還包括將所述至少一種基體放置在所述第一位置和所述第二位置之前，將所述至少一種基體放置在第三位置，以在其上沉積第二種金屬。
本發(fā)明還涉及鍍覆有納米復(fù)合層的金屬或金屬合金制品，所述納米復(fù)合層的鍍覆方法包括步驟(a)提供所述金屬或金屬合金制品；(b)在所述制品上沉積不銹鋼；(c)在所述制品上沉積金屬碳化物或金屬氮化物；和(d)在所述制品上形成所述不銹鋼和金屬碳化物或金屬氮化物的納米復(fù)合層。


現(xiàn)在將通過(guò)參考以下附圖以例舉方式來(lái)討論本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式圖1A至1C是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的方法在不銹鋼基體上沉積納米復(fù)合層的步驟示意圖；圖2所示為利用圖1A至1C所示的方法處理的不銹鋼基體的納米結(jié)構(gòu)示意圖；圖3A所示為沉積納米復(fù)合層之前不銹鋼基體硬度的曲線圖；圖3B所示為沉積納米復(fù)合層之后不銹鋼基體硬度的曲線圖；和圖4所示是適用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明沉積方法的裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明鍍覆方法的基本原理是，通過(guò)物理氣相沉積在金屬或金屬合金基體上沉積不銹鋼晶粒，并沿晶粒的晶界間隙形成了金屬碳化物或金屬氮化物如碳化鉻或氮化鉻。這種結(jié)構(gòu)將阻止不銹鋼晶粒的位錯(cuò)或滑移，從而獲得高的表面硬度。
但是，與此相關(guān)的是，不可控的不銹鋼和碳化鉻或氮化鉻的共沉積將僅能產(chǎn)生不銹鋼、碳化鉻、碳化鐵等的雜亂混合物，不能提高被處理不銹鋼基體的硬度。而且，由于碳化鉻是不導(dǎo)電的陶瓷，因此必須使用射頻(RF)電源。可是，這種電源與沉積不銹鋼所需的直流(DC)電源不兼容。
因此，本發(fā)明方法的優(yōu)選實(shí)施方式基于在含碳或含氮?dú)怏w等離子體內(nèi)鉻的反應(yīng)濺射之前、同時(shí)或之后沉積不銹鋼?？墒褂肈C和低頻比如40kHz電源，使得工藝具有兼容性。
首先關(guān)于圖1A至1C，提供了不銹鋼基體10。這種不銹鋼基體10可以是維氏硬度為200HV的奧氏體或馬氏體不銹鋼。為了減輕應(yīng)力和增加納米復(fù)合層在不銹鋼基體10上的粘附力，首先如圖1B所示按照以下討論的方法在基體10上沉積鈦(Ti)界面層12。界面層12的厚度為0.01至0.20微米，并且可以是鋯(Zr)、鉿(Hf)或釩(V)。然后，再利用下述的方法，將比如厚度為3微米的不銹鋼和碳化鉻14的納米復(fù)合層沉積在界面層12上。
圖2所示為不銹鋼和碳化鉻14的納米復(fù)合層的納米結(jié)構(gòu)，包括分散著碳化鉻分子18的不銹鋼16的晶粒。
如圖3A所示，在沉積納米復(fù)合層14之前，不銹鋼基體10的硬度始終是200HV。本發(fā)明很明顯的特征是，在不銹鋼基體10與不銹鋼以及碳化鉻或氮化鉻納米復(fù)合層14之間界面硬度的增加并沒有突然停止。由于碳/氮和鉻原子連續(xù)滲入不銹鋼基體10，含量呈梯度分布的碳化鉻或氮化鉻也沿著基體10的不銹鋼晶界被沉淀。結(jié)果是，納米復(fù)合層具有均勻的硬度，即如圖3B所示，3微米厚的不銹鋼和碳化鉻的納米復(fù)合層硬度為600HV，而不銹鋼基體10的硬度呈現(xiàn)梯度。在圖3B所示的實(shí)施例中，硬度由不銹鋼基體10和納米復(fù)合層14界面(在水平軸用“0”標(biāo)示)的600HV穩(wěn)步地降到深入基體10內(nèi)15微米時(shí)的200HV。因而，基體10的總硬度進(jìn)一步得以提高。
在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，盡管納米復(fù)合層的硬度與其厚度相互不成正比，即不是線性相關(guān)，但硬度是厚度的函數(shù)。特別是，如果不銹鋼和碳化鉻納米層的厚度為3微米時(shí)，則其硬度將在600HV左右，4微米厚的層提供1,000-1,200HV的硬度。實(shí)驗(yàn)表明，這樣形成層的維氏硬度在500HV至1,500HV之間。
圖4是離子濺射裝置的示意圖，通常標(biāo)為100的所述裝置適用于本發(fā)明的方法。裝置100包括室腔102，其通過(guò)第一通口104與真空泵(未示出)相連，并通過(guò)第二通口106可將氬氣、氣態(tài)烴比如乙炔(C2H2)或甲烷(CH4)、或含氮?dú)怏w比如氮?dú)?N2)或氨(NH3)引入室腔102。室腔有一門108，可將待鍍覆的基體10放入室腔102內(nèi)，并且可從室腔102內(nèi)移去已鍍覆的基體10。
放置在室腔102內(nèi)用于旋轉(zhuǎn)的是多個(gè)導(dǎo)電托架110，被放置于其上的基體10可與裝置100的其余部分同時(shí)旋轉(zhuǎn)。電源112連接于托架110，用于使它們的電勢(shì)為負(fù)偏壓，從而也使放置在托架110上的基體10的電勢(shì)為負(fù)偏壓。與此有關(guān)的是，通過(guò)給不銹鋼基體10加負(fù)偏壓而產(chǎn)生的電場(chǎng)增強(qiáng)了鉻原子和碳或氮原子在不銹鋼基體10內(nèi)的連續(xù)滲透(固體擴(kuò)散)。此偏壓優(yōu)選在-20V至-200V。
與40kHz電源116相連的雙面不銹鋼靶114用于提供沉積在基體10上的不銹鋼。為了外觀相匹配，優(yōu)選不銹鋼靶114與待處理的不銹鋼基體10相同。與可開關(guān)的40kHz電源120相連的雙面純鉻靶118用作鉻的沉積。因?yàn)橛谐渥愕你t的外部來(lái)源，所以不消耗位于不銹鋼基體10的不銹鋼晶粒中的鉻。因而不會(huì)危及不銹鋼基體10的耐腐蝕性。盡管現(xiàn)在本發(fā)明的上下文中已描述了不銹鋼和碳化鉻納米復(fù)合層在不銹鋼基體上的沉積，但是，可用其它的金屬碳化物比如碳化鎢、碳化鉭或碳化鈦，以及其它的金屬氮化物比如氮化鉻、氮化鎢、氮化鉭或氮化鈦來(lái)替代碳化鉻，此情況下的雙面靶118可以是鎢(W)、鉭(Ta)或鈦(Ti)?？砷_關(guān)的電源120也與雙面純鈦靶122相連，以提供沉積在基體10上作為如上所述的界面層12的鈦源。當(dāng)使用其它金屬比如鋯、鉿或釩沉積在基體10上作為如上所述的界面12時(shí)，雙面靶122將由相應(yīng)的這些其它金屬組成。
如上所述，這種方法也能用于在金屬或金屬合金基體上形成不銹鋼和金屬氮化物的納米復(fù)合層。通過(guò)增加厚度可提高此納米復(fù)合層的硬度。在形成此納米復(fù)合層時(shí)，氮源是含氮的氣體，比如氮?dú)?N2)或氨(NH3)。沉積不銹鋼和氮化鉻納米復(fù)合層的工藝參數(shù)與沉積不銹鋼和碳化鉻納米復(fù)合層相似而又略為不同，它們的差別主要是含氮?dú)怏w的分壓。
下面給出了本發(fā)明的實(shí)施例。
實(shí)施例1
首先對(duì)不銹鋼表殼進(jìn)行脫蠟和徹底清潔，隨后將其放置在離子濺射裝置100的托架110上。關(guān)上門108以后，將室腔102的底壓抽至2×10-6托(即，mmHg；相當(dāng)于約2.666×10-4Pa)。在抽壓過(guò)程中，加熱室腔102到300-350℃。當(dāng)達(dá)到所需要的底壓2×10-6托(即，約2.666×10-4Pa)時(shí)，將氬氣(Ar)引入室腔102，并使室腔102的壓力增加到5×10-3托(即，約0.667Pa)。向表殼施加600-800V的負(fù)偏壓，由此激發(fā)氬原子在表殼的轟擊，從而由表殼的表面去除任何殘留的污染物。
然后，將可開關(guān)的電源120連接到雙面純鈦靶122上，由此首先在表殼上沉積一個(gè)鈦的薄層(厚度0.02至0.20微米)。在鈦界面層的沉積過(guò)程中僅使用氬氣，并且總壓力為4×10-3托至6×10-3托(即，約0.533Pa至0.800Pa)。
在表殼上沉積純鈦的界面層之后，將室腔102的總壓力維持在4×10-3托至6×10-3托(即，約0.533Pa至0.800Pa)，引入室腔102的氣態(tài)烴比如甲烷(CH4)或乙炔(C2H2)的分壓為1.5×10-4托(即，約0.020Pa)。氣態(tài)烴提供必要的碳原子，以與來(lái)源于鉻靶118的鉻原子形成碳化鉻分子。不銹鋼靶114的功率密度為3至7W/cm2，鉻靶118的功率密度為6至9W/cm2。托架110的轉(zhuǎn)速為3-8轉(zhuǎn)/分鐘。每轉(zhuǎn)一圈，在每個(gè)表殼上沉積厚度為5至10nm的不銹鋼和碳化鉻層。尤其是，當(dāng)基體10穿過(guò)由相對(duì)的雙面不銹鋼靶114和雙面鉻靶118所圍住的強(qiáng)等離子區(qū)時(shí)，將在基體10的表面沉積很薄的不銹鋼和碳化鉻層。從熱力學(xué)角度看，此被沉積的分子為不平衡態(tài)。本發(fā)明的關(guān)鍵特征是，當(dāng)基體10比如表殼遠(yuǎn)離濺射靶114、118時(shí)將形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)/層。此時(shí)，不銹鋼和碳化鉻分子沉淀在熱力學(xué)最適合的位置，即擁有最低可能熵的局部位置，并且碳化鉻分子沿著不銹鋼晶界沉淀。另一方面，連續(xù)沉積工藝將不能獲得納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，并且層僅為不銹鋼和碳化鉻分子的任意混合物，而沒有硬度增強(qiáng)的效果。
工藝時(shí)間是所需厚度的函數(shù)，厚度也取決于硬度要求。對(duì)于4轉(zhuǎn)/分鐘的旋轉(zhuǎn)速度和7.5nm/轉(zhuǎn)的沉積速率而言，3微米厚的層(提供約600HV的硬度)需要約100分鐘的工藝時(shí)間。
可以看出，本發(fā)明工藝是一種清潔工藝，不需要沉積后的處理比如拋光。
實(shí)施例2利用不銹鋼和鉻的合金靶來(lái)替代上述實(shí)施例1所述的純不銹鋼和鉻靶。合金靶含40-60wt.％的不銹鋼，其余是鉻。除了不銹鋼和鉻顆粒在碳等離子氣中共濺射反應(yīng)形成不銹鋼和碳化鉻的相鄰分子以外，此工藝極其類似于上述實(shí)施例1所描述的工藝。另外，當(dāng)不銹鋼制品(本實(shí)施例是表殼)遠(yuǎn)離沉積區(qū)位時(shí)，不銹鋼和碳化鉻分子弛豫進(jìn)入它們熱力學(xué)最適合的位置，從而形成硬不銹鋼和碳化鉻層的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3首先對(duì)不銹鋼表殼進(jìn)行脫蠟和徹底清潔，隨后將其放置在離子濺射裝置100的托架110上。關(guān)上門108以后，將室腔102的底壓抽至2×10-6托(約2.666×10-4Pa)。在抽壓過(guò)程中，加熱室腔102到300-350℃。當(dāng)達(dá)到所需要的底壓2×10-6托(即，約2.666×10-4Pa)時(shí)，將氬氣(Ar)引入室腔102，并使室腔102的壓力增加到5×10-3托(即，約0.667Pa)。向表殼施加600-800V的負(fù)偏壓，由此激發(fā)氬原子在表殼的轟擊，從而由表殼的表面去除任何殘留的污染物。
然后，將可開關(guān)的電源120連接到雙面純鈦靶122上，由此首先在表殼上沉積一鈦的薄層(厚度0.02至0.20微米)。在鈦界面層的沉積過(guò)程中僅使用氬氣，并且總壓力為4×10-3托至6×10-3托(即，約0.533Pa至0.800Pa)。
在表殼上沉積純鈦的界面層之后，將室腔102的總壓力維持在4×10-3托至6×10-3托(即，約0.533Pa至0.800Pa)，引入室腔102的含氮?dú)怏w比如氮?dú)?N2)或氨(NH3)的分壓為3.0×10-4托(即，約0.040Pa)。此氣體提供必要的氮原子，以與來(lái)源于鉻靶118的鉻原子形成氮化鉻分子。不銹鋼靶114的功率密度為3至7W/cm2，鉻靶118的功率密度為6至9W/cm2。托架110的轉(zhuǎn)速為3-8轉(zhuǎn)/分鐘。每轉(zhuǎn)一圈，在每個(gè)表殼上沉積厚度為5至10nm的不銹鋼和氮化鉻層。尤其是，當(dāng)基體10穿過(guò)由相對(duì)的雙面不銹鋼靶114和雙面鉻靶118所圍住的強(qiáng)等離子區(qū)時(shí)，將在基體10的表面沉積很薄的不銹鋼和氮化鉻層。從熱力學(xué)角度看，此被沉積的分子為不平衡態(tài)。本發(fā)明的關(guān)鍵特征是，當(dāng)基體10比如表殼遠(yuǎn)離濺射靶114、118時(shí)將形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)/涂層。此時(shí)，不銹鋼和氮化鉻分子沉淀在熱力學(xué)最適合的位置，即擁有最低可能熵的局部位置，并且氮化鉻分子沿著不銹鋼晶界沉淀。另一方面，連續(xù)沉積工藝將不能獲得納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，并且層僅為不銹鋼和氮化鉻分子的任意混合物，而沒有硬度增強(qiáng)的效果。
盡管現(xiàn)在上述發(fā)明的上下文已討論了不銹鋼基體，但是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，此方法可應(yīng)用于各種固態(tài)金屬或金屬合金基體，包括銅、銅合金、鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、鈦和鈦合金。在這個(gè)范圍內(nèi)，當(dāng)涉及沉積并形成不銹鋼和金屬碳化物/氮化物納米復(fù)合層時(shí)，與制成基體的金屬材料無(wú)關(guān)，因?yàn)槌煞植讳P鋼、鉻、鎢、鉭、鈦、含碳?xì)怏w或含氮?dú)怏w不是來(lái)自基體材料，而是外部提供的。盡管鍍覆了此納米復(fù)合層的軟基體比如銅合金、鋁合金和鎂比鍍覆了此納米復(fù)合層的鈦合金和不銹鋼軟，但是沉積了本發(fā)明納米復(fù)合層的軟基體依然可提供相對(duì)硬且耐磨的涂層，其耐腐蝕并且外觀類似不銹鋼。
應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，以上僅描述了實(shí)施本發(fā)明的實(shí)施例，不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)可對(duì)這些實(shí)施例做出各種修正和/或更改。特別是，盡管已描述通過(guò)反應(yīng)濺射來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員也能意識(shí)到通過(guò)使用其它的氣體沉積技術(shù)比如多弧反應(yīng)沉積或反應(yīng)蒸發(fā)離子噴鍍來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，為了清楚而在各個(gè)實(shí)施方式中描述的本發(fā)明的特定特征也可在一個(gè)實(shí)施方式中結(jié)合使用。相反，為了簡(jiǎn)潔而在一個(gè)實(shí)施方式中描述的本發(fā)明的各種特征也可以分開或以任何適宜形式結(jié)合使用。
權(quán)利要求
1.一種在金屬或金屬合金基體上沉積納米復(fù)合層的方法，它包括以下步驟a)提供至少一種金屬或金屬合金基體；b)在所述至少一種基體上沉積不銹鋼；c)在所述至少一種基體上沉積第一種金屬的碳化物或氮化物；和d)使得在所述至少一種基體上形成所述不銹鋼和所述第一種金屬的碳化物或氮化物的納米復(fù)合層。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述基體至少主要由不銹鋼制成。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述基體的硬度基本上與待沉積到所述基體上的不銹鋼的硬度一樣。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述基體至少主要由銅、鋁、鎂、鈦或任何這些金屬的合金制成。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一種金屬是鉻、鎢、鉭或鈦。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括提供沉積于所述至少一種基體上的不銹鋼來(lái)源的步驟。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括提供所述第一種金屬來(lái)源的步驟。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括提供沉積于所述至少一種基體上的所述第一種金屬來(lái)源和所述不銹鋼來(lái)源的步驟。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，沉積于所述基體上的所述第一種金屬和所述不銹鋼的來(lái)源是不銹鋼和所述第一種金屬的合金。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，它還包括不銹鋼和所述第一種金屬原子的反應(yīng)共濺射步驟。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括在所述基體和所述納米復(fù)合層之間形成第二種金屬層的步驟。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第二種金屬為鈦、鋯、鉿或釩。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述第二種金屬層的厚度約0.01至0.20微米。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括提供碳源的步驟。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述碳源是氣態(tài)烴。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述氣態(tài)烴是甲烷或乙炔。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括提供氮源的步驟。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述氮源是氮?dú)饣虬薄?br> 19.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括在沉積不銹鋼和所述第一種金屬的所述碳化物或氮化物的過(guò)程中，使所述至少一種基體為負(fù)偏壓的步驟。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，偏壓在-20V至-200V之間。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，它還包括步驟(e)將所述至少一種基體放置在第一位置，以便于在其上沉積不銹鋼；(f)將所述至少一種基體放置在第二位置，以便于在其上沉積所述第一種金屬的所述碳化物或氮化物；和(g)使所述至少一種基體遠(yuǎn)離所述第一和第二位置，以使得在所述至少一種基體上形成所述不銹鋼和所述第一種金屬的所述碳化物或氮化物的納米復(fù)合層。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，它還包括將所述至少一種基體放置在所述第一位置和所述第二位置之前，將所述至少一種基體放置在第三位置，以在其上沉積第二種金屬。
23.鍍覆有納米復(fù)合層的金屬或金屬合金制品，所述納米復(fù)合層的鍍覆方法包括步驟(a)提供所述金屬或金屬合金制品；(b)在所述制品上沉積不銹鋼；(c)在所述制品上沉積金屬碳化物或金屬氮化物；和(d)在所述制品上形成所述不銹鋼和金屬碳化物或金屬氮化物的納米復(fù)合層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種在不銹鋼基體10上沉積不銹鋼和金屬碳化物或金屬氮化物比如碳化鉻或氮化鉻的納米復(fù)合層的方法，它包括步驟a)提供不銹鋼基體10；b)在基體10上沉積不銹鋼；c)在基體10上沉積碳化鉻或氮化鉻；和在基體10上形成不銹鋼和碳化鉻或氮化鉻的納米復(fù)合層14。
文檔編號(hào)B82B3/00GK1572905SQ20041000891
公開日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2004年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月4日
發(fā)明者陳少揚(yáng) 申請(qǐng)人:永恒科技有限公司