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采用双层辉光等离子渗金属技术,结合空心阴极效应及尖端放电增强效应,在不锈钢表面进行铜、铈元素共渗,制备了表面具有抗菌性的含铜、铈合金渗层的不锈钢。进行了铜、铈共渗实验源极结构设计,对试验的部分参数进行了优化设计。采用金相显微镜、SEM、EDS、XRD分析了渗层组织、成分、表面物相。研究了源极铜、铈含量变化对渗层的影响。研究了铜、铈渗层的抗菌性能、耐腐蚀性能及硬度等。主要研究内容及结论如下: (一)铜、铈共渗源极设计及工艺研究 (1)为了使低熔点金属铜和铈能做为双辉试验源极,并保证双辉试验的顺利进行,通过铜铈二元合金相图分析及试验验证,铈在铜铈合金中的最大含量为30％wt。源极采用可拆卸圆筒形上、下腔结构。源极材料采用棒状(铜、铈质量百分比为9:1)和板状(铜、铈的质量百分比为7:3)铜铈合金。棒状合金插入上腔壁孔内,板状合金置于下腔底部。此结构可以通过调节棒状源极和板状源极的数量和分布来调节铜、铈源极溅射量的比例,易于更换铜铈合金板。阴极工件为两片不锈钢板平行悬吊于源极内。利用空心阴极效应可使工件温度达到铜、铈共渗要求,棒状源极的尖端放电有效增强了源极元素的供应,且该源极结构设计使源极不会出现明显高温变形。 (2)研究了工作气压、阴极两板间距、保温温度、保温时间等渗金属实验工艺参数对渗层表面铜、铈含量、渗层厚度、沉积层厚度的影响。以渗层铜、铈含量尽量高,渗层尽量厚,沉积层尽量薄为原则,确定了304不锈钢表面渗铜、铈双辉实验最佳工艺参数。 (二)渗层结构分析及源极铜、铈含量对渗层影响 (1)通过使用硫酸对试样渗层截面进行金相腐蚀,发现试样渗层截面出现了白亮层(厚度15~20μm)和渗层暗带大于65μm。通过 EDS分析发现渗层暗带为珠光体组织。沿渗层表层向基体方向,铜、铈元素含量递减。铈原子递减梯度较慢,铜原子递减梯度较快,铬向基体表层迁移。 (2)进行 XRD分析,在渗层表面发现了 Cu,CeCrO3,CCuO3,Mn2.17Ni0.7Cu0.13O4等含有铜、铈元素的物质。 (3)铈在源级中含量为28%、20%、12%时,分别进行双辉实验,发现源极中铈含量增加,渗层中铈和铜的含量均增加,且渗层厚度增加,沉积层厚度减少。 (三)铜、铈渗层性能 (1)根据行标 QB/T2591-2003,采用平板培养法对渗后不锈钢试样进行抗菌试验检测,并对试样表面进行抗菌持久性实验。铜、铈含量高的试样显示出优异抗菌性,磨损试验对于试样抗菌性影响不大。 (2)对渗后试样和未处理试样在1mol/L H2SO4溶液和3.5% NaCl溶液中进行电化学腐蚀试验。实验结果显示,渗后试样耐 H2SO4、NaCl溶液腐蚀性能均显著提高。 (3)检测渗后试样和未渗不锈钢表面硬度,渗后试样表层截面硬度明显提高。