專利名稱：一種銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，具體涉及一種不銹鋼表面銅摻雜二氧化鈦鍍層材料的制備方法，屬于金屬材料表面改性技術領域。
背景技術：
不銹鋼具有優異的耐腐蝕性能、綜合機械性能和工藝性能，從而在醫療器械、食品加工和餐飲衛生等領域得到廣泛應用。與此同時，隨著人們生活水平和健康意識的不斷提高，不銹鋼作為日常生活潔具、廚具及餐具的主要材料之一，不僅要求其光亮、美觀而且要求能夠抗菌殺菌。利用表面處理技術在不銹鋼表面形成抗菌涂層，是提高其抗菌性能的經濟而有效的方法。然而，現有的一些表面改性技術在硬度較低的不銹鋼表面應用上存在一些缺點如較薄的注入層、涂層及鍍層，由于韌性不足或結合強度問題而極易導致表面改性層在承載條件下開裂、剝落而失效。從1972年發現半導體二氧化鈦在紫外光照射下將水分解成氫和氧氣以來，二氧化鈦光催化與光電化學的研究一直十分活躍，被廣泛應用于光電轉換太陽能電池的開發、氣體傳感器、太陽能分解水制氫氣、污水及廢氣的光催化降解、光催化殺菌、自清潔及防霧等多個方面。二氧化鈦成本低、無二次污染、性能穩定，且利用太陽光就能驅動光催化反應進行。但是，TiO2的禁帶寬度較大(Eg=3.0 3.2Ev)，只能被400nm以下的紫外光激活，對可見光的吸收差，極大地限制了其應用范圍，通常采用摻雜金屬或非金屬的方式增加其可見光活性。鑒于Cu摻雜TiO2表現出更為顯著的在可見光下的光催化殺菌，同時Cu離子的適時摻雜能無限擴展到暗光或無光的條件下保持殺菌、釋放負離子、凈化空氣、消除有害物質等作用，使其在消除室內外污染、殺菌這一新興環保領域具有無可比擬的技術和質量優勢。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種的銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，用該方法所制備的銅摻雜二氧化鈦鍍層在3小時內對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抗菌率都達到99.8%以上。本發明解決上述技術問題的技術方案如下:本發明首先利用輝光離子滲金屬技術在不銹鋼表面形成TiCu合金滲鍍層，然后再將表面滲鍍TiCu合金鍍層后的不銹鋼基體工件通過控制加熱溫度范圍，通入氧氣使不銹鋼基體表面形成Cu摻雜TiO2的銳鈦礦型的高膜基結合強度光催化TiO2鍍層的方法。具體步驟如下:一種銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，包括以下步驟:( I)將 不銹鋼工件預處理:將不銹鋼工件的表面除油后使用SiC水砂紙將不銹鋼工件逐級打磨、拋光至鏡面，再清洗、干燥。(2)在輝光離子滲金屬爐中，將預處理好的不銹鋼工件懸掛在輝光離子滲金屬爐內的支架上充當陰極，源極選用純鈦銅靶，環繞不銹鋼工件擺放，陽極接在爐殼上并接地；(3)然后將所述輝光離子滲金屬爐的爐腔內部抽至極限真空，再通入氬氣，使爐腔內氣壓維持在35Pa 45Pa，接通陰極電源，在陽極與陰極間施加直流電壓，當不銹鋼工件溫度升至300°C 400°C時，對其進行離子轟擊清洗；然后再調節陰極電壓，同時接通源極電源，在源極與陽極間施加直流電壓，使源極電壓為-900 -950V，繼續使不銹鋼工件升溫，然后進行等離子滲鍍鈦銅合金鍍層，得到滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件；(4)滲鍍完成之后，調節源極和陰極電源，將不銹鋼工件進行降溫至400 600°C時，通入氧氣對滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件表面進行反應，并進行保溫，然后冷卻至室溫，即得到所述銅摻雜二氧化鈦鍍層。本發明的有益效果是:1、在輝光離子滲金屬爐中，將不銹鋼工件懸掛在輝光離子滲金屬爐內的支架上充當陰極，源極選用純鈦銅靶，環繞不銹鋼工件擺放，陽極接在爐殼上并接地，進行滲鍍，本發明利用了輝光離子滲金屬技術在金屬基體表面滲鍍TiCu合金鍍層，鍍層與基體間具有良好的結合強度。2、通入氬氣和氧氣的混合氣體，利用氧氣與不銹鋼工件的滲鍍層發生反應，金屬工件不需要冷卻到室溫，也省去了馬弗爐這種設備，設備成本降低，同時節省了電能和熱能，制備時間大大縮短。3、本發明所制備Cu摻雜TiO2表現出更為顯著的在可見光下的光催化殺菌，同時Cu離子的適時摻雜能無限擴展到暗光或無光的條件下保持殺菌、釋放負離子、凈化空氣、消除有害物質等作用。4、本發明中純鈦銅靶是用鈦棒和銅棒固定在鈦桿上制成的靶材。避免了熔煉法制備合金靶材對熔點和密度相差較大的兩種或兩種以上金屬，難以獲得成分均勻的合金靶材；以及粉末冶金法制備合金靶材密度低，雜質含量高等缺點。在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。進一步，所述不銹鋼工件為奧氏體不銹鋼工件。進一步，所述純鈦銅靶是用鈦棒和銅棒固定在鈦桿上制成的靶材。進一步，所述極限真空為IXlO-1Pa15進一步,所述通入IS氣的流量為30sccm 35sccm。進一步，所述對不銹鋼工件進行離子轟擊清洗的時間為20min 30min。進一步，所述調節陰極電壓后的電壓范圍為-450 -500V。進一步，所述進行等離子滲鍍鈦銅合金鍍層的工藝條件為:在源極溫度維持在950°C 1000°C，工件溫度控制在800 850°C的條件下進行等離子滲鍍鈦銅合金鍍層，并保溫I 3小時。進一步，所述進行保溫的時間為I 2小時。



圖1為本發明銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法中的輝光離子滲金屬爐的結構示意圖；附圖中，各標號所代表的部件列表如下:
1、爐腔，2、爐殼，3、不銹鋼工件，4、靶材，5、工作臺，6、支架，7、源極電源，8、工件電源。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。一種銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法的步驟如下:(1)將不銹鋼工件預處理:將不銹鋼工件的表面除油后使用SiC水砂紙將不銹鋼工件逐級打磨、拋光至鏡面，再清洗、干燥。(2)如圖1所示，將由鈦棒和銅棒固定在鈦桿上制成的靶材4放入輝光離子滲金屬爐內的工作臺5上，并通過工作臺5與源極電源7的陰極連接，稱為源極，再將不銹鋼工件3，設其與靶材4相距15_，并通過支架6使不銹鋼工件3與工件電源8的陰極連接，稱為工件極，爐殼2與源極電源7和工件電源8的陽極連接，并接地；(3)將輝光離子滲金屬爐腔I內部抽成真空度為I X ICT1Pa,通入流量為30sCCm 35sccm的氬氣到爐腔I內，使爐腔I內氣壓維持在35Pa 45Pa，接通工件電源8的陰極電源，在陽極與陰極間施加直流電壓，當工件極溫度升至300°C 400°C時，對不銹鋼工件進行離子轟擊清洗20min 30min ；(4)將陰極電壓(工件極電壓)調至-450V -500V,接通源極電源7，并將源極電壓調至-900V -950V，在源極溫度維持在950°C 1000°C，不銹鋼工件溫度控制在800 850°C的條件下進行等離子滲鍍鈦銅合金鍍層，并保溫I 3小時，得到滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件；(5)滲鍍完成之后，調節源極和工件極電源，將不銹鋼工件進行降溫至400 600°C時，通入氧氣對滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件表面進行反應，保溫時間為I 2小時，然后冷卻至室溫，即得到所述銅摻雜二氧化鈦鍍層。以下通過幾個具體的實施例以具體說明本發明。實施例1(1)將AISI304奧氏體不銹鋼經線切割成Φ 20mmX 4mm的工件作為基體，將不銹鋼工件的表面除油后使用SiC水砂紙將不銹鋼工件逐級打磨、拋光至鏡面，再清洗、干燥。(2)如圖1所示，將由鈦棒和銅棒固定在鈦桿上制成的靶材4放入輝光離子滲金屬爐內的工作臺5上，并通過工作臺5與源件電源7的陰極連接，稱為源極，再將不銹鋼工件3，設其與靶材4相距15_，并通過支架6使不銹鋼工件3與工件電源8的陰極連接，稱為工件極，爐殼2與源極電源7和工件電源8的陽極連接，并接地；(3)將輝光離子滲金屬爐腔I內部抽成真空度為IX ICT1Pa,通入流量為30sCCm的氬氣到爐腔I內，使爐腔I內氣壓維持在40Pa，接通工件電源8的陰極電源，在陽極與陰極間施加直流電壓，當工件極溫度升至400°C時，對不銹鋼工件進行離子轟擊清洗25min ；(4)將工件極電壓調至-500V，接通源極電源7，并將源極電壓調至-920V，在源極溫度維持在950°C，不銹鋼工件溫度控制在820°C的條件下進行等離子滲鍍鈦銅合金鍍層，并保溫2小時，得到滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件；(5)滲鍍完成之后，調節源極和工件極電源，將不銹鋼工件進行降溫至500°C時，通入氧氣對滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件表面進行反應，保溫時間為1.5h，然后冷卻至室溫，即得到所述銅摻雜二氧化鈦鍍層。實施例2 一種銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法的步驟如下:( I)將不銹鋼工件預處理:將不銹鋼工件的表面除油后使用SiC水砂紙將不銹鋼工件逐級打磨、拋光至鏡面，再清洗、干燥。(2)如圖1所示，將由鈦棒和銅棒固定在鈦桿上制成的靶材4放入輝光離子滲金屬爐內的工作臺5上，并通過工作臺5與源極電源7的陰極連接，稱為源極，再將不銹鋼工件3，設其與靶材4相距15_，并通過支架6使不銹鋼工件3與工件電源8的陰極連接，稱為工件極，爐殼2與源極電源7和工件電源8的陽極連接，并接地；(3)將輝光離子滲金屬爐腔I內部抽成真空度為IX ICT1Pa,通入流量為30sCCm的氬氣到爐腔I內，使爐腔I內氣壓維持在35Pa，接通工件電源7的陰極電源，在陽極與陰極間施加直流電壓，當工件極溫度升至300°C時，對不銹鋼工件進行離子轟擊清洗20min ；(4)將陰極電壓(工件極電壓)調至-450V，接通源極電源7，并將源極電壓調至-900V，在源極溫度維持在950°C，不銹鋼工件溫度控制在80(TC的條件下進行等離子滲鍍鈦銅合金鍍層，并保溫I小時，得到滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件；(5)滲鍍完成之后，調節源極和工件極電源，將不銹鋼工件進行降溫至400°C時，通入氧氣對滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件表面進行反應，保溫時間為I小時，然后冷卻至室溫，即得到所述銅摻雜二氧化鈦鍍層。實施例3一種銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法的步驟如下:( I)將不銹鋼工件3預處理:將不銹鋼工件3的表面除油后使用SiC水砂紙將不銹鋼工件3逐級打磨、拋光至鏡面，再清洗、干燥。(2)如圖1所示，將由鈦棒和銅棒固定在鈦桿上制成的靶材4放入輝光離子滲金屬爐內的工作臺5上，并通過工作臺5與源極電源7的陰極連接，稱為源極，再將不銹鋼工件3，設其與靶材4相距15_，并通過支架6使不銹鋼工件3與工件電源8的陰極連接，稱為工件極，爐殼2與源極電源7和工件電源8的陽極連接，并接地；(3)將輝光離子滲金屬爐腔I內部抽成真空度為IX ICT1Pa,通入流量為35sCCm的氬氣到爐腔I內，使爐腔I內氣壓維持在45Pa，接通工件電源8的陰極電源，在陽極與陰極間施加直流電壓，當工件極溫度升至400°C時，對不銹鋼工件3進行離子轟擊清洗30min ；(4)將陰極電壓(工件極電壓)調至-500V，接通源極電源7，并將源極電壓調至-950V，在源極溫度維持在1000°C，不銹鋼工件3溫度控制在850°C的條件下進行等離子滲鍍鈦銅合金鍍層，并保溫3小時，得到滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件；(5)滲鍍完成之后，調節源極和工件極電源，將不銹鋼工件3進行降溫至600°C時，通入氧氣對滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件表面進行反應，保溫時間為2小時，然后冷卻至室溫，即得到所述銅摻雜二氧化鈦鍍層。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: 1)在輝光離子滲 金屬爐中，將預處理好的不銹鋼工件懸掛在輝光離子滲金屬爐內的支架上充當陰極，源極選用純鈦銅靶，環繞不銹鋼工件擺放，陽極接在爐殼上并接地； 2)然后將所述輝光離子滲金屬爐的爐腔內部抽至極限真空，再通入氬氣，使爐腔內氣壓維持在35Pa 45Pa，接通陰極電源，在陽極與陰極間施加直流電壓，當陰極溫度升至300°C 400°C時，對不銹鋼工件進行離子轟擊清洗；然后再調節陰極電壓，同時接通源極電源，在源極與陽極間施加直流電壓，使源極電壓為-900 -950V，繼續使不銹鋼工件升溫，然后進行等離子滲鍍鈦銅合金鍍層，得到滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件； 3)滲鍍完成之后，調節源極和陰極電源，將不銹鋼工件進行降溫至400 600°C時，通入氧氣對滲鍍了 TiCu合金鍍層的不銹鋼基體工件表面進行反應，并進行保溫，然后冷卻至室溫，即得到所述銅摻雜二氧化鈦鍍層。
2.根據權利要求1所述的銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，其特征在于，所述不銹鋼工件為奧氏體不銹鋼工件。
3.根據權利要求1所述的銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，其特征在于，所述純鈦銅靶是用鈦棒和銅棒固定在鈦桿上制成的靶材。
4.根據權利要求1至3任一項所述的銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，所述極限真空為IXlO-1Pa15
5.根據權利要求1至3任一項所述的銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，所述通入IS氣的流量為30sccm 35sccm。
6.根據權利要求1至3任一項所述的銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，所述對不銹鋼工件進行離子轟擊清洗的時間為20min 30min。
7.根據權利要求1至3任一項所述的銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，所述調節陰極電壓后的電壓范圍為-450 -500V。
8.根據權利要求1至3任一項所述的銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，所述進行等離子滲鍍鈦銅合金鍍層的工藝條件為:在源極溫度維持在950°C IOOO0C，不銹鋼工件溫度控制在800 850°C的條件下進行等離子滲鍍鈦銅合金鍍層，并保溫1 3小時。
9.根據權利要求1至3任一項所述的銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，其特征在于，在步驟3)中，所述進行保溫的時間為1 2小時。
全文摘要
本發明涉及一種銅摻雜二氧化鈦鍍層的制備方法，首先利用輝光離子滲金屬技術在不銹鋼表面形成TiCu合金滲鍍層，然后再將表面滲鍍TiCu合金鍍層后的不銹鋼基體工件通過控制加熱溫度范圍，通入氧氣使不銹鋼基體表面形成Cu摻雜TiO2的銳鈦礦型的高膜基結合強度光催化TiO2鍍層的方法。用本發明方法所制備的銅摻雜二氧化鈦鍍層在3小時內對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抗菌率都達到99.8%以上。
文檔編號C23C10/00GK103103475SQ20131001429
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月15日 優先權日2013年1月15日
發明者王鶴峰, 袁國政, 靳曉敏, 李志剛, 樹學峰, 劉二強 申請人:太原理工大學