一種低磨損率的vn耐磨涂層及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具有低磨損率的VN耐磨涂層及其制備方法，所述的VN耐磨涂層具有高度(200)擇優(yōu)取向和V-型柱狀晶生長結(jié)構(gòu)，涂層致密度高，密度在5.0～6.0g/cm3，該種結(jié)構(gòu)的VN耐磨涂層具有高硬度(>25GPa)，低磨損率(<10-16m3/N·m數(shù)量級)、低摩擦系數(shù)(<0.5)等特點，適合于中溫(<500℃)、高壓、高速、重載工況中用來增加工件表面的耐磨性。本發(fā)明還公開了該VN耐磨涂層的制備方法。
【專利說明】一種低磨損率的VN耐磨涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于陶瓷涂層材料領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種低磨損率的VN耐磨涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對各種機(jī)械零部件的表面性能要求越來越高。尤其是在中溫、高壓、高速、重載條件下工作的零部件，常因表面磨損而報廢，最終導(dǎo)致整臺設(shè)備停運或破壞。目前，提高機(jī)械零部件的耐磨性，延長其使用壽命的常用方法有兩種:一種方法是通過表面硬化、離子注入、擴(kuò)散合金化等實現(xiàn)原表面改性；另一種方法就是通過熱噴涂、電鍍、化學(xué)鍍以及氣相沉積等工藝方法在工件的表面形成一層耐磨涂層。二元及多元氮化物，如氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)、鈦鋁氮(TiAlN)、鈦硅氮(TiSiN)、鈦鋁碳氮(TiAlCN)、氮化鉻(CrN)。以及碳化物，如碳化鈦(TiC)、碳化鎢(WC)等耐磨涂層較好地提高了工件的使用壽命。但上述耐磨涂層普遍中存在一個問題，就是常因制備的涂層柱狀晶之間存在著許多微小裂縫、針孔而導(dǎo)致了柱狀晶之間弱的界面強(qiáng)度，涂層在摩擦過程中易于失效，涂層磨損率高(磨損率:被磨試樣的體積與磨擦功的比值，即單位摩擦功所磨試樣的體積，常用磨損體積除以載荷和滑動距離來表示，單位:πι3/Ν.πι)。如Mo等通過PVD方法制備了 AlCrN和TiAlN等三元氮化物耐磨涂層，其磨損率約在10_15m3/N.πι數(shù)量級，摩擦系數(shù)約為 0.6 ~0.8{“Comparison of tribological behaviors of AlCrN and TiAlN coatingsdeposited by physical vapor depositionet al,《wear》，1423 - 1429(2007)263}。如Patscheider等用非晶Si3N4包裹TiN晶粒的TiN/Si3N4兩相納米復(fù)合結(jié)構(gòu)耐磨涂層,磨損率約為 3 X lCT15m3/N.m,摩擦系數(shù)約為 0.5 ~1.1 { “Structure-performance relations innanocomposite coatings，，，Patscheider et al, ((Surface and Coatings Technology)),146-147(2001)201}。磨損率高意味著同等條件下涂層的耐磨壽命短。所以從延長機(jī)械零部件的服役壽命來看，降低其表面耐磨涂層的磨損率是關(guān)鍵。
[0003]公開報道降低涂層磨損率的方法大致分為三種。一、制備多層、疊層、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的耐磨涂層，如PalDey等報道了 PVD方法制備TiAlN/CrN, TiAlYN/VN, TiAlN/ZrN以及CrN/NbN的多層超晶格涂層，其磨損率降低至10_16m3/N.m數(shù)量級，摩擦系數(shù)約為 0.2。{ “Single layer and multilayer wear resistant coatings of(Ti, Al)N:areview^alDey et al, ((Materials Science and Engineering A》，58-79 (2003) 342},但該種涂層制備工藝較為復(fù)雜。中國專利CN102555332A公開了一種減摩耐磨涂層由表層和底層組成，所述表層為a-C:H，底層為Cr+W-C:H或Cr+CrN，摩擦系數(shù)降低到0.1以下，但該涂層不適合高溫(>350°C )摩擦情況。二、利用韌性較強(qiáng)的聚合物粘結(jié)劑包裹陶瓷顆粒來制備耐磨涂層，如中國專利CN1766015A公開報道了氟聚合物包裹碳化物、氮化物等陶瓷顆粒等制備出了耐刮擦、耐磨涂層，但該涂層在高溫條件下由于聚合物分解而失效。三、引入自潤滑材料降低耐磨涂層的摩擦系`數(shù)，如MoS2、石墨、BN、WC/C復(fù)合材料等，但優(yōu)化工藝后磨損率也只能降低到 lCT16m3/N.ηι 數(shù)量級{“Vanadium containing self-adaptive low-frictionhard coatings for high temperature applications:a review,?Franz et al, ((Surfaceand Coatings Technology》，1-13 (2013)228}。
[0004]實驗研究表明，V基涂層具有優(yōu)異的潤滑性，因此提供了 V基涂層優(yōu)越的摩擦性能。尤其在高溫條件下，這種涂層的耐磨性能更加突出。如MUnz等采用PVD方法制備出TiAlN/VN的多層結(jié)構(gòu)，這種涂層不但具有較高的硬度還兼具較好的耐磨性，其硬度達(dá)到了 40GPa,磨損率降低至 1.26X 10_17m3/N.m,摩擦系數(shù)為 0.4{ “Industrial scalemanufactured superlattice hard PVD coatings^Miinz et al, ((Surface Engineering)),15-27(2001) 13}。Franz 報道了 CrAlVN、TiAlVN 等多元 V 基涂層并發(fā)現(xiàn)其在 600°C~700°C的摩擦系數(shù)為0.2~0.8范圍之間，磨損率也降至10_16m3/N.πι數(shù)量級{ “The beneficialeffect of high—temperature oxidation on the tribological behavior of V and VNCoatingsnFateh et al, ((Tribol Lett》，1-7 (2007) 28}。雖然上述 V 基涂層都表現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨損性能，但大多都是V基的多元涂層或是V基涂層的多層或疊層結(jié)構(gòu)。這些涂層制備工藝復(fù)雜、設(shè)備要求高、重復(fù)性差、條件要求苛刻等，限制了其在某些方面的應(yīng)用。
[0005]綜上所述，本領(lǐng)域尚缺乏一種制備工藝簡單，耐磨能力高，磨損率低，并且具有較高硬度的耐磨材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種制備工藝簡單，耐磨能力高，磨損率低，并且具有較高的硬度的耐磨材料。
[0007]本發(fā)明的第一方面，提供了一種VN(氮化釩)耐磨涂層，所述的VN耐磨涂層具有選自下組的一個或多個特征:
[0008]所述的VN耐磨涂層呈V-型柱狀晶生長結(jié)構(gòu)且垂直于基底生長；
[0009]所述的VN耐磨涂層密度在5.0~6.0g/cm3之間,優(yōu)選為5.5~6.0g/cm3 ；
[0010]所述的VN耐磨涂層具有高度((200)晶面)擇優(yōu)取向；
[0011]所述的VN耐磨涂層相鄰兩VN柱狀晶[002]晶向之間的傾角失配度為8~15°。
[0012]在另一優(yōu)選例中，所述的VN耐磨涂層具有以上的2個、3個或4個特征。
[0013]在另一優(yōu)選例中，所述的VN涂層為結(jié)晶態(tài)；優(yōu)選地，所述結(jié)晶的晶粒大小為10~50nmo
[0014]在另一優(yōu)選例中，所述的VN涂層的厚度為0.5~10微米，較佳地為0.8~5微米，更佳地為I~3微米。
[0015]在另一優(yōu)選例中，所述VN耐磨涂層的成分可表示為VNx，其中，X為0.85~1.05。
[0016]在另一優(yōu)選例中，所述的VN耐磨涂層的硬度為>20GPa。
[0017]在另一優(yōu)選例中，所述的VN耐磨涂層的磨損率為1.00Χ10-17~3.50Xl(T16m3/N.m ;較佳地為 1.00 X IO-17 ~1.00 X l(T16m3/N.m ;更佳地為 1.32 X 10-17 ~9.32 X l(T17m3/N.m0
[0018]在另一優(yōu)選例中，所述的VN耐磨涂層中的氮化釩晶體為面心立方結(jié)構(gòu)；和/或；
[0019]所述的涂層在2` Θ =36°~45°衍射角范圍內(nèi)具有選自下組的一個或多個XRD特征衍射峰:
[0020]VN(Ill)衍射峰；[0021]VN (200)衍射峰；
[0022]優(yōu)選地，所述的VN耐磨涂層在2 Θ =36°~45°衍射角范圍內(nèi)具有VN(200)衍射峰。
[0023]在另一優(yōu)選例中，所述的涂層在2 Θ =36°~45°衍射角范圍內(nèi)具有VN(200)衍射
峰和VN(Ill)衍射峰，且所述的VN(200)衍射峰強(qiáng)度I (200)與(111)衍射峰強(qiáng)度I(Ill)
存在以下關(guān)系:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種VN(氮化釩)耐磨涂層，其特征在于，所述的VN耐磨涂層具有選自下組的一個或多個特征: 所述的VN耐磨涂層呈V-型柱狀晶生長結(jié)構(gòu)且垂直于基底生長； 所述的VN耐磨涂層密度在5.0~6.0g/cm3之間； 所述的VN耐磨涂層具有高度((200)晶面)擇優(yōu)取向； 所述的VN耐磨涂層相鄰兩VN柱狀晶[002]晶向之間的傾角失配度為8~15°。
2.如權(quán)利要求1所述的VN耐磨涂層，其特征在于，所述的VN耐磨涂層中的氮化釩晶體為面心立方結(jié)構(gòu)；和/或； 所述的涂層在2Θ=36°~45°衍射角范圍內(nèi)具有選自下組的一個或多個XRD特征衍射峰: VN(Ill)衍射峰； VN (200)衍射峰； 優(yōu)選地，所述的涂層在2 Θ =36°~45°衍射角范圍內(nèi)具有VN(200)衍射峰。
3.如權(quán)利要求2所述的VN耐磨涂層，其特征在于，所述的涂層在2Θ=36°~45°衍射角范圍內(nèi)具有VN(200)衍射峰和VN(Ill)衍射峰，且所述的VN(200)衍射峰強(qiáng)度I (200)與(111)衍射峰強(qiáng)度I(Ill)存在以下關(guān)系:
4.一種器件，其特征在于，所述器件具有如權(quán)利要求1-3任一所述的涂層。
5.如權(quán)利要求4所述的器件，其特征在于，所述的器件包括:基底材料，和位于基底材料上的如權(quán)利要求1-3任一所述的VN耐磨涂層； 較佳地，所述的基底材料為:陶瓷、金屬及其合金。
6.如權(quán)利要求1所述的VN耐磨涂層的制備方法，其特征在于，通過反應(yīng)磁控濺射法沉積制備所述VN耐磨涂層。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括: (1)提供一基底材料； (2)提供一釩靶(V靶)，將所述的V靶置于陰極，在氮源存在下，通過反應(yīng)磁控濺射法在所述基底材料上的至少一個主表面上沉積形成如權(quán)利要求1所述的VN耐磨涂層。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于；所述的步驟(2)中， 所述的基底材料的溫度為350-700°C，較佳地為400-600°C，更佳地450-550 ;和/或 V 革巴功率密度為 3.8 ~10.82W/cm2，優(yōu)選為 5.1 ~6.4ff/cm2,8.27 ~10.18ff/cm2 ;和 /或 對所述的基底材料施加脈沖負(fù)偏壓；較佳地，所述的脈沖負(fù)偏壓為-50V~-110V，更佳地為-70V~-90V ;和/或 所述脈沖負(fù)偏壓的頻率為250kHz。
9.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，所述的陰極配置中頻電源，或所述的陰極配置射頻(rf)電源輔助的中頻(mf)電源。
10.如權(quán)利要求7所述的制備方法，其特征在于，步驟(2)中，濺射的電源為中頻電源:較佳地，所述的中頻電源功率為300~700W，頻率為100~350kHz ;更佳地，功率為400~500W，頻率為250~350kHz ;或 濺射的電源為中頻電源和射頻電源共同作用:較佳地，所述的中頻電源功率為400-600W，頻率為80- 120kHz ;射頻電源功率為150~350W，頻率為75_85MHz。
【文檔編號】C23C14/35GK103726014SQ201410005990
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月3日
【發(fā)明者】黃峰, 李朋, 葛芳芳 申請人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所