Pvd法包覆鉭或鈮制作耐蝕金屬材料的工藝的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種PVD法包覆鉭或鈮制作耐蝕金屬材料的工藝。其特點是，包括如下步驟：采用磁控濺射的方式，在金屬材料基體表面涂覆一層鉭或鈮保護層。本發明提供了一種利用鍍膜技術提高金屬抗腐耐磨性能的方法，該方法通過物理氣相沉積（PVD）方法在不銹鋼或其它金屬表面鍍上所需的抗腐蝕膜層。所述物理氣相沉積方法包括磁控濺射方法、多弧離子鍍方法及電子槍蒸發等。本發明方法能提高所鍍金屬部件表面耐磨擦、抗腐蝕性能，從而延長金屬或金屬容器的使用壽命，同時提高其使用安全系數。
【專利說明】PVD法包覆組或鈮制作耐蝕金屬材料的工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種PVD法包覆鉭或鈮制作耐蝕金屬材料的工藝。
【背景技術】
[0002]金屬腐蝕問題遍及國民經濟和國防建設的各個領域，大量的金屬部件和裝備因腐蝕而報廢。設備是化工生產的基礎，化工單元操作都要依靠精良的設備來實現，因化工過程幾乎離不開升溫、降溫，且很多反應都是密閉進行的(需要保持一定的壓力或者真空)，而各種化工原料大都具有一定的腐蝕性，因此制造化工設備的材料要求耐腐蝕、強度高、延展性好。金屬材料依其具有較高的強度和良好的延展性使之成為制造化工設備的首選，因此，研究化工設備的防腐主要是研究金屬的防腐。在選材方面，要求所選擇的防腐涂層對化工設備的熱傳導能力影響要小，且不能影響化工設備的強度。
[0003]在當今時代，隨著行業競爭及制造業的不斷發展，要求生產過程不僅節約能源、材料，提高資源利用率，而且對環境的負面影響要小。化工設備以其廣泛的應用成為節約能源的一個重點，而對化工設備的腐蝕防護則是提高設備利用率、節約成本最直接且最見效的途徑，因此，化工設備的防腐成為目前越來越熱的一個系統工程。化工設備的防腐主要考慮兩個方面:首先，選材要合理。因為耐蝕材料都具有一定的局限性，一定要根據使用的工況選擇合適、經濟的材料；其次，結構設計和制作工藝方面一定要科學合理，避免由于結構原因造成自然的電化學腐蝕。從經濟的角度出發，化工設備多采用碳鋼材質，然后根據使用工況進行科學的防腐處理。
[0004]金屬防腐的方法:一般來說，金屬防腐的方法大體有4種。最常見的方法是改變金屬的結構。金屬的種類很多，一些重金屬的化學活性低，不易受到其他物質的腐蝕，也有部分金屬與其他金屬配合使用能有效提高防腐能力。金屬防腐的第二種方法是保護層法，這種防腐方法是在金屬的表面制造各種材質的保護層，將金屬產品與外界的腐蝕介質隔離開來，從而達到防止腐蝕的效果。金屬防腐的保護層可以通過涂抹、噴涂、電鍍、熱鍍、噴鍍等方法形成。第三種方法是電化學保護法，它是以原電池理論為原理對金屬進行防腐保護。根據原電池理論，只要能夠消除引起化學腐蝕的原電池的反應，就可以實現金屬的防腐。金屬防腐的電化學保護法分為陽極保護和陰極保護兩個類別，其中陰極保護應用較多。金屬防腐的第四種方法是腐蝕介質處理法。以上4種方法中最常用的是保護層法。金屬防腐的保護層法，分為非金屬保護層和金屬保護層兩種。
[0005]金屬保護層法:金屬防腐的保護層還有一種是金屬保護層。金屬保護層就是通過電鍍和噴涂的方法將不易腐蝕的金屬，如鋅、錫、鉻和鎳等涂覆在需要保護的金屬表面，或者用鈍化劑、磷化液等在鋼鐵表面形成一層致密的氧化膜，從而起到防腐作用。傳統的電鍍(或者叫熱鍍鋅)，近幾年出現了冷鍍或者浸鍍，就是將富鋅涂料直接涂覆在設備表面。這些方法主要是鍍鋅，受到的限制比較大。金屬熱噴涂在近些年也得到了很大的發展，除傳統的氧乙炔火焰 噴涂外，現在還有超音速火焰噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、氣體爆燃式噴涂等；熱噴涂的材料更豐富，粉末、絲材、棒材等都可以進行噴涂，材質也從原來的鋅發展到各種金屬材料，比如鍍金、鍍銀、鍍銅、鍍鉻、鍍鎳、彩鍍等。金屬熱噴涂只需用噴槍直接噴涂，工藝簡單而且環保、無三廢排放、成本低、不用做導電層。對于化工設備，金屬熱噴涂是一種值得進一步開發和研究的防腐方法。
[0006]鉭和鈮由于具有非常出色的化學性質，具有極高的抗腐蝕性，作為首選材料。無論是在冷和熱的條件下，對鹽酸、濃硝酸及“王水”都不反應。可用來制造蒸發器皿等。鉭和鈮制的抗腐蝕設備用于生產強酸、溴、氨等化學工業。金屬鉭可作飛機發動機的燃燒室的結構材料。鉭鎢、鉭鎢鉿、鉭鉿合金用作火箭、導彈和噴氣發動機的耐熱高強材料以及控制和調節裝備的零件等。鉭易加工成形，在高溫真空爐中作支撐附件、熱屏蔽、加熱器和散熱片等。現有最好的技術是利用爆炸復合的方法在基體材料上面復合上一層鉭(或鈮)材料。但這種方法對尺寸較小的容器及管、棒、帶材卻無能為力。
[0007]由于鉭、鈮等金屬具有很高的熔點，因此不適合用金屬熱噴涂的方式制得防腐層。
【發明內容】

[0008]本發明的目的是提供一種PVD法包覆鉭或鈮制作耐蝕金屬材料的工藝，能夠通過物理氣相沉積(PVD)方法在金屬材料表面鍍上鉭或鈮的抗腐和耐磨層，從而使金屬材料具有優異的防腐、耐蝕性能，還可起到表面防護、防腐、延長使用壽命的作用。
[0009]一種PVD法包覆鉭或鈮制作耐蝕金屬材料的工藝，其特別之處在于，包括如下步驟:采用磁控濺射的方式，在金屬材料基體表面涂覆一層鉭或鈮保護層。
[0010]其中磁控濺射采用磁控濺射沉積系統，所用靶材為純度99.95及以上的鉭靶或鈮革巴，直徑60mm,厚度5~6mm。
[0011]其中控制濺射功率30~60W，氬氣氣氛，直流偏壓電源為負偏壓-100V到-180V，濺射氣壓0.1~0.6Pa，基層溫度200~500°C，靶基距50~60_，基底真空6 X KT5Pa到8X l(T4Pa，濺射時間3~8小時。
[0012]本發明提供了一種利用鍍膜技術提高金屬抗腐耐磨性能的方法，該方法通過物理氣相沉積(PVD)方法在不銹鋼或其它金屬表面鍍上所需的抗腐蝕膜層。所述物理氣相沉積方法包括磁控濺射方法、多弧離子鍍方法及電子槍蒸發等。本發明方法能提高所鍍金屬部件表面耐磨擦、抗腐蝕性能，從而延長金屬或金屬容器的使用壽命，同時提高其使用安全系數。更具體地說，本發明尤其涉及一種利用鍍膜技術在金屬表面鍍上一層耐腐蝕性金屬保護層從而有效提高金屬抗腐性和耐磨性的方法，在金屬表面鍍的一層耐腐蝕性金屬為鉭或鈮，作為被保護的金屬為鐵、銅、鈦、鋁、鎳、鎂、鋅、不銹鋼等單質金屬或合金。
【具體實施方式】
[0013]實施例1:
[0014]本實施例是采用磁控濺射的方式，利用磁控濺射儀在基體表面涂覆一層鉭、鈮保護層。所用設備型號:中國科學院沈陽科學儀器研制中心有限公司生產的JGP-450A型磁控濺射沉積系統。
[0015]其原理是作為陰極的祀材在電磁場作用下,祀材表面產生輝光作用，在祀材上方形成電離的等離子氣體，這些帶能量的離子(一般Ar離子居多)激發靶材使靶材上的鉭、鈮原子沉積到基體。[0016]所用靶材為純度99.96的鉭靶或鈮靶，靶材直徑60mm，厚度5mm，被涂覆的基體與靶材相對應的表面積不能超過靶材的面積。在這個尺寸前提下分別在平面二維尺寸不大于60mm的不銹鋼、鈦金屬基體表面濺鍍鉭、鈮金屬保護層。控制濺射功率40W，氬氣氣氛，直流偏壓電源為負偏壓-120V，濺射氣壓0.3Pa，基層溫度400°C，靶基距50mm，基底真空7 X l(T5Pa，濺射時間5小時。
[0017]即可在上述不銹鋼`、鈦金屬基體表面得到鉭、鈮保護層。
【權利要求】
1.一種PVD法包覆鉭或鈮制作耐蝕金屬材料的工藝，其特征在于，包括如下步驟:采用磁控濺射的方式，在金屬材料基體表面涂覆一層鉭或鈮保護層。
2.如權利要求1所述的一種PVD法包覆鉭或鈮制作耐蝕金屬材料的工藝，其特征在于:其中磁控濺射采用磁控濺射沉積系統，所用靶材為純度99.95及以上的鉭靶或鈮靶，直徑60mm,厚度 5 ~6mm。
3.如權利要求1或2所述的一種PVD法包覆鉭或鈮制作耐蝕金屬材料的工藝，其特征在于:其中控制濺射功率30~60W，氬氣氣氛，直流偏壓電源為負偏壓-100V到-180V，濺射氣壓0.1~0.6Pa，基層溫度200~500 V，靶基距50~60mm，基底真空6 X KT5Pa到8X l(T4Pa，濺射時間3~8小時。`
【文檔編號】C23C14/16GK103695854SQ201310681491
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月12日 優先權日:2013年12月12日
【發明者】楊國啟, 鄭愛國, 王東新, 李軍義, 張麗, 羅丹, 鄭金鳳 申請人:寧夏東方鉭業股份有限公司, 國家鉭鈮特種金屬材料工程技術研究中心