表面氮化铬镀膜方法 【技术领域】
本发明涉及一种表面氮化铬镀膜方法，更具体地说，涉及一种真空阴极电弧离子镀膜方法，用于对大型工业化纤企业中化纺机械主要部件牵伸辊进行表面氮化铬镀膜处理。
背景技术
在化纤机械中，牵伸辊与高温状态下的化纤丝长期接触，受到强烈腐蚀，牵伸辊的表面质量字节影响化纤的表面质量，也决定了化纤制造的成品率和工作状态。
目前在我国的化纤工业生产中，为了加强牵伸辊的表面硬度和耐腐蚀性，普遍采用在牵伸辊表面镀制硬铬的工艺，其缺点在于硬度低，耐磨耐腐性能差，易积碳不易清洗，废丝率高。尤其对于高强度工业丝，现有工艺已不能满足需求。硬铬的表面硬度为HV850到1100，摩擦系数0.16到0.17，当温度到达200度时，表面硬度开始下降，温度越高硬度越低，降低幅度最高可达50％。
在实践中，也可以使用氮化铬镀膜，氮化铬属陶瓷材料，具有化学稳定性好，耐腐蚀，耐高温，易清洗，耐磨性好，特别是氮化铬与碳氢有机物的亲和力很好，对有机物脱膜能力强，可以有效延长工件使用寿命，提高生产效率，改善产品精度。
【发明内容】
因此，考虑上述现有技术的缺点做出本发明，且本发明的目的在于提供一种表面氮化铬镀膜方法，其能够解决上述现有技术的一个或多个缺陷。
根据本发明的目的，提供了一种表面氮化铬镀膜方法，其包括步骤：镀膜工件入库检验，清洗，喷丸表面处理，镀前超声清洗，烘干，装机待镀，真空离子镀膜，被镀工件初检，试样检验，和工件包装、出场。
根据本发明的表面氮化铬镀膜方法，其中该真空离子镀膜步骤进一步包括步骤：通过电弧将阴极蒸发并离化以产生等离子体；和将该等离子体在真空室中与充入的反应气体反应，并通过偏压将反应物沉积在待镀物件的表面上。
根据本发明的表面氮化铬镀膜方法，其中该真空离子镀膜步骤采用300-1Pa到3Pa的工作真空度，20到100A的阴极电弧电流，以及叠加的脉冲偏压与直流偏压，其中该直流偏压在50-500V之间，脉冲偏压在100-1000V之间。
根据本发明的表面氮化铬镀膜方法，其中该真空离子镀膜步骤的镀膜温度为150到450摄氏度。
根据本发明的表面氮化铬镀膜方法，其中镀制的氮化铬薄膜的技术质量指标为：硬度1500-2200HV，内应力0.1-1GRa，允许厚度1-50μm，摩擦系数小于0.2，最高使用温度750摄氏度，粗糙度2.6-2.8Ra，使用后的Ra差值10％。
通过上述本发明的表面氮化铬镀膜方法，提高了膜层硬度，和耐腐耐磨性能，并且，易清洗，耐高温。因此，延长了工件使用寿命，并且在高强度工业丝产业方面提高了产品收丝率，从而增加了产量，提高了工作效率，并节约了成本。
【附图说明】
图1为根据本发明实施例的真空阴极电弧离子镀膜系统的示意性系统框图；
图2是根据本发明实施例的真空阴极电弧离子镀膜方法的流程图；
图3是根据本发明的未镀膜样品和三个批次的镀膜样品的X射线衍射谱；
图4示出了本发明的镀膜样品的摩擦磨损实验的测量结果
图5和图6分别示出了扫描电子显微镜下观察到的工件薄膜表面形貌，其中，图5中扫描放大倍数为200倍，而图6为1000倍。
【具体实施方式】
本发明的具体实施例可以在附图中进一步得到说明，其中，图1显示出本发明的真空阴极电弧离子镀膜系统的示意性系统框图。
由于牵伸辊体积大，消耗量大，表面镀膜厚，因此本发明的实施例采用真空阴极电弧离子镀膜技术，镀制氮化铬薄膜。该方法采用电弧放电的方法，在真空室内将待镀材料转化为高密度等离子体，使等离子体沉积在基件上形成薄膜。在真空室内通入反应气体时，靶材物质所产生的等离子体与反应气体反应生成其反应物，均匀沉积在基件上。
如图1所示，该真空阴极电弧离子镀膜系统包括真空室200，在真空室200中具有阴极101和基件102，其中，阴极101和电弧电源105连接，并且基件102连接偏压电源106。工作时，直接将阴极101(被蒸镀材料)蒸发并离化，形成高度电离的等离子体束103，这些高能带电粒子与充入真空室的反应气体104反应，并在基件102的偏压的作用下，沉积在工件102表面上，生成各种金属薄膜，若通入反应气体，如N2，C2H2，可以生成氮化物或碳化物等硬质薄膜，如TiN，CrN，ZrN，TIC等，牢固地附着在基件102的表面上。
根据本发明的实施例，当阴极101的靶材材料为铬(Cr)时，在真空室内200充入的反应气体为104氮气(N2)，即可在基件102的表面上获得氮化铬(CrN)硬质膜。
真空阴极电弧离子镀膜具有下面优点：1)镀膜速度高，2)可大面积成膜，3)可镀制厚度较大的薄膜，4)附着力强，5)离化率高，反应充分。
在本发明的实施例的真空阴极电弧离子镀膜过程中，影响Cr成膜的因素包括：1)阴极工作电流，2)工作真空度(真空压力)，3)偏压型式和数值，4)加热温度等。这些参数对于本发明的工艺具有显著影响。
在本发明中，采用地工艺范围是：1)工作真空度300-1Pa到3Pa，2)阴极电弧电流20到100A，3)脉冲偏压与直流偏压相叠加，直流偏压在50-500V之间，脉冲偏压在100-1000V之间，4)考虑沉积因素和工作条件，根据工艺和镀膜时间，薄膜厚度数值在4μm以上，5)根据被镀工件的退火温度确定该镀膜温度。最后，根据上述4)和5)的条件和工件基体(高速钢)，时间1小时多点测试表面硬度平均值在HV2100以上。
特别的，在本发明中，为了产品个体之间质量的均一性和各项技术指标的稳定性，采用中频磁控溅射技术，其优点在于适合大面积镀膜，适合于镀制各种氧化物和氮化物薄膜，且薄膜密度高，缺陷少，适于镀制表面要求较高的部件。
图2显示出本发明实施例的流程图，如图2所示，本发明的真空阴极电弧离子镀膜方法的流程包括：镀膜工件入库检验(S101)，清洗除油、去污(S102)，喷丸表面处理去除锈蚀、氧化层(S103)，镀前超声清洗(S104)，烘干去除表面水分(S105)，装机待镀(S106)，真空离子镀膜(S107)，被镀工件初检(S108)，试样检验、随炉镀制试样测试硬度、厚度、结构、表面形貌、成分(S109)，和工件包装、出场(S110)。
本发明实施例的真空阴极电弧离子镀膜方法的技术质量指标为：镀膜温度：150-450摄氏度，硬度1500-2200HV，内应力0.1-1GRa，允许厚度1-50μm，摩擦系数小于0.2，最高使用温度750摄氏度，粗糙度2.6-2.8Ra，使用后的Ra差值10％。
下面表1显示出根据本发明的实施例的真空阴极电弧离子镀膜方法在基件表面镀制氮化铬的技术质量指标与其它常见镀膜的参数对比。
【表1】
氮化铬 氮化钛 类金刚石 硬铬 镀膜温度 (摄氏 度) 150-450 150-450 150-500 200 硬度(HV) 1200- 2500 2000- 2500 3000- 7000 850 -1100 内应力 0.1-1 1-2 2-6 厚度 (μm) 1-50 1-6 1-2 150 摩擦系数 ＜0.2 0.5-0. 7 0.02-0 .1 0.17 最高使用 温度(摄 氏度) 750 450 450 400 抗腐性 优 良 优 一般 工业应用 程度 普遍 普遍 普遍 粗糙度Ra 2.8 2.2
由此可见，通过本发明的采用阴极电弧离子镀膜方法(PVD方法)的氮化铬镀膜技术对牵伸辊表面进行处理，提高了膜层硬度到达1800HV以上，和耐腐耐磨性能，易清洗，耐高温可达300-450度无变化。因此，延长了工件使用寿命，由原来的8-12个月提高到了18个月以上，产品收丝率在高强度工业丝上提高到90％以上。
并且，上述的PVD镀膜工艺具有沉积速率快，成膜均匀，一致性好，无污染，成本低等特点，适合工业化批量生产。
下面的图3至图6和表2至表6显示出：采用本发明实施例的阴极电弧离子镀膜方法在工件表面镀制氮化铬薄膜的检测结果，用以具体说明本发明的方法的技术指标。所进行的测试样品是在下面工作条件下在工件表面镀制氮化铬薄膜制成的：工作真空度510-1Pa到2Pa，阴极电弧电流50到70A，脉冲偏压与直流偏压相叠加，其中直流偏压在80-300V之间，脉冲偏压在150-500V之间。之后，考虑沉积因素和工作条件，根据工艺和镀膜时间，测量薄膜厚度数值，并且，根据被镀工件的退火温度确定该镀膜温度，最后，根据上述条件和工件基体(高速钢)，测试表面硬度值。
图3显示出根据本发明的未镀膜样品和三个批次的镀膜样品的X射线衍射谱，根据图3，未镀膜样品的衍射谱为铁的衍射谱，镀膜样品的衍射谱为在原有铁峰的基础上增加了Cr2N峰，说明涂层为Cr2N结构，由各衍射峰的强度分析可以定性确定涂层为随机取向。此外，三个不同批次镀膜样品的衍射谱非常一致，说明涂层在晶体学结构层面上表现出一致性，反映出镀膜的工艺稳定性和一致性得到了很好的保证。
下面的表2-5显示出根据本发明实施例的阴极电弧离子镀膜方法在工件表面镀制氮化铬薄膜的硬度检测结果，其中，氮化铬薄膜厚度为3μm。
【表2】无膜样品，载荷1.0N，保持压力20秒
D1＝17.600 D2＝17.513 HV＝601 D1＝18.703 D2＝17.036 HV＝570 D1＝17.008 D2＝16.783 HV＝666 平均值 HV＝612
【表3】有膜样品，载荷1.0N，保持压力20秒
D1＝14.512 D2＝15.278 HV＝1823 D1＝14.337 D2＝15.265 HV＝1885 D1＝14.351 D2＝14.510 HV＝1917 平均值： HV＝1875
【表4】无膜样品，载荷2.0N，保持压力20秒
D1＝23.225 D2＝23.523 HV＝672 D1＝22.500 D2＝22.754 HV＝698
D1＝23.225 D2＝23.523 HV＝672 D1＝21.936 D2＝22.520 HV＝669 D1＝25.833 D2＝22.845 HV＝657 D1＝24.565 D2＝23.698 HV＝617 平均值 HV＝663
【表5】有膜样品，载荷2.0N，保持压力20秒
D1＝22.251 D2＝21.163 HV＝1831 D1＝21.203 D2＝21.224 HV＝1836 D1＝22.063 D2＝19.670 HV＝1859 D1＝20.150 D2＝21.453 HV＝1875 D1＝20.163 D2＝21.234 HV＝1867 平均值 HV＝1855
通过上述的表2-5，可以看到镀膜后样件硬度指标＞1800HV。涂层的附着力是涂层在工业领域应用的一项重要指标，它决定了涂层在使用过程中是否会脱落失效，同时也反应了涂层内的应力状态，优秀涂层应表现为低应力、高附着力。
本发明采用WS-2005涂层附着力自动划痕仪对于本发明的工件表面镀制的氮化铬薄膜的附着力进行测试，测试条件如下：测量方式为声发射测量方式和摩擦力测量方式；加载范围0～100N；涂层厚度检测范围0.2～50μm；划痕速度1～10mm/min；加载速率10～100N/min；划痕长度范围2～6mm；划痕往复次数1～100；金刚石标准压头，锥角120°，尖端半径R＝0.2。
并且，下面表6显示出附着力临界载荷测量结果：
【表6】
图4显示出摩擦磨损实验的测量结果，实验条件为温度27℃，湿度80％，摩擦钢球直径Φ为3mm，载荷10N，转速600转/min，且旋转直径Φ为6mm。
如图4所示，摩擦实验开始时，摩擦系数保持在0.22左右，大概6min后开始下降，至0.12左右并保持，后来缓慢升至0.15。摩擦一个小时时，摩擦系数出现较大波动，后来又降至0.15左右，75min时，摩擦系数突然升至0.2左右，且波动很大。说明CrN的涂层被磨损破裂。通过图4，该实验结果表明本涂层摩擦系数低于0.2且耐磨性能很好。
图5和图6分别是扫描电子显微镜下观察到的工件薄膜表面形貌，如图5所示，在扫描电镜较低倍数(X200)下观察工件薄膜表面形貌有明显的网状起伏，经分析可以知道工件表面在镀膜前进行过喷丸处理，以增加工件表面的摩擦力。
如图6所示，在较高放大倍数(X1000)下观察发现薄膜表面有明显的颗粒沉积物，这种沉积物是真空阴极电弧放电镀膜的基本特征，氮化铬薄膜就是采用此类方法镀制的。
经过实践使用，可知本发明的表面氮化铬镀膜方法具有以下优点：1)氮化铬镀层牵伸辊在纺制高强力工业丝时其收丝率稳定，达93％以上；2)氮化铬镀层牵伸辊纺制高强力工业丝的质量高于对比硬铬辊，强度提高5％；3)氮化铬镀层牵伸辊纺制高强力工业丝与对比硬铬辊在表面粗糙度的对比中，其Ra值小于对比辊，表面磨损度小，镀膜硬度高，耐磨性能好；4)工作温度为350摄氏度，氮化铬镀层牵伸辊运转性能良好，积碳轻微，易清洗，使用周期延长至14个月以上，仍正常运转。