一種低摩擦系數(shù)的CrTiAlCN耐磨鍍層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種低摩擦系數(shù)CrTiAlCN耐磨鍍層，屬于材料表面工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的工模具在使用過程中與被加工工件存在著劇烈的摩擦而嚴重影響其使用壽命，因此采用磁控濺射法制備的耐磨鍍層則在工模具表面得到了廣泛的應(yīng)用，不僅可以大大提高工模具的使用壽命，還可以大大提高加工速度。
[0003]CrTiAlN鍍層是一種常用多金屬氮化物鍍層，因具有良好的耐磨性能而被應(yīng)用于工模具表面以提高其使用壽命，但是CrTiAlN鍍層對常用金屬的摩擦系數(shù)較大(比如CrTiAlN鍍層對鋼的摩擦系數(shù)達0.7)，不采取適當?shù)臐櫥胧⒉荒軡M足高速相對運動系統(tǒng)摩擦副之間低摩擦力的性能要求，并且，隨著裝配精度等級的提高和相對運動速度的增大，液體潤滑介質(zhì)愈來愈難以在摩擦副表面形成連續(xù)膜而不能起到潤滑效果，因此研宄制備出既能保持CrTiAlN鍍層高硬度的性能優(yōu)點、又具有較低摩擦系數(shù)的自潤滑鍍層便成為近年來薄膜制備領(lǐng)域的一個研宄熱點。
[0004]本發(fā)明采用固體石墨靶為碳源，以參雜的方式制備出碳元素以石墨結(jié)構(gòu)(sp2鍵)和金剛石結(jié)構(gòu)(SP3鍵)混雜彌散于CrTiAlN鍍層基體或與基體呈納米多層結(jié)構(gòu)交替分布的CrTiAlCN鍍層，在保持CrTiAlCN鍍層高硬高耐磨的基礎(chǔ)上可以大大降低原CrTiAlN鍍層的摩擦系數(shù)，可以顯著提高CrTiAlN鍍層的摩擦學(xué)性能，此發(fā)明方法可制備出各種摻碳氮化物系耐磨鍍層，可大大拓寬氮化物系硬質(zhì)耐磨鍍層的應(yīng)用領(lǐng)域，具有很高的實用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種低摩擦系數(shù)CrTiAlCN耐磨鍍層及其制備方法，該制備方法是采用固體石墨靶材為碳源對傳統(tǒng)的CrTiAlN鍍層進行摻雜改性以獲得高性能的CrTiAlCN耐磨鍍層，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是相對于原CrTiAlN鍍層，本發(fā)明的CrTiAlCN耐磨鍍層可明顯降低鍍層的摩擦系數(shù)并能不能程度提高耐磨性能。
[0006]本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的低摩擦系數(shù)的CrTiAlCN耐磨鍍層，該CrTiAlCN耐磨鍍層是由以下的質(zhì)量百分比組成:21.13 ?35.71% Cr, 4.96 ?10.32% Ti, 0.94 ?6.05% Al, 25.11 ?47.24% N，3.19 ?47.86% Co
[0007]本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的低摩擦系數(shù)的CrTiAlCN耐磨鍍層的制備方法，是采用四靶直流反應(yīng)磁控濺射的方法，具體操作如下:對傳統(tǒng)的CrTiAlN鍍層進行改性，固體石墨靶為碳源，再分別固定Cr靶、Ti靶、Al靶的濺射電流為2A、1.5A、1.5A，使用Ar作為濺射氣體，使用N2作為反應(yīng)氣體，然后通過改變所述石墨靶的濺射電流來控制摻碳量，最終制備得到CrTiAlCN耐磨鍍層。
[0008]本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn)。
[0009]前述的低摩擦系數(shù)的CrTiAlCN耐磨鍍層的制備方法，所述Cr靶、Ti靶、Al靶、石墨靶純度均為99.95 % ；所述Ar、隊純度均為99.999 %。
[0010]前述的低摩擦系數(shù)的CrTiAlCN耐磨鍍層的制備方法，所述Ar作為濺射氣體是由質(zhì)量流量計控制，為20?25SCCm ;所述N2作為反應(yīng)氣體是由光發(fā)射法控制，其值為50。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點和有益效果。借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明至少具有下列優(yōu)點:采用本發(fā)明制備方法制備的CrTiAlCN鍍層相比傳統(tǒng)的CrTiAlN鍍層不僅摩擦系數(shù)更低，而且具有更好的耐磨性能，可作為工模具耐磨鍍層得到廣泛的應(yīng)用。
[0012]上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，詳細說明如下。
【具體實施方式】
[0013]為更進一步闡述本發(fā)明為達成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下列舉較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的一種低摩擦系數(shù)CrTiAlCN耐磨鍍層及其制備方法其【具體實施方式】、特征及其功效，詳細說明如后。
[0014]本發(fā)明提供一種低摩擦系數(shù)CrTiAlCN耐磨鍍層及其制備方法。
[0015]本發(fā)明采用的制備方法是:以固體石墨靶為碳源，固定Cr、T1、Al靶的濺射電流，通過改變石墨靶的濺射電流來控制摻碳量，最終制備的鍍層的元素質(zhì)量百分比組成為:21.13 ?35.71% Cr, 4.96 ?10.32% Ti, 0.94 ?6.05% Al, 25.11 ?47.24% N，3.19 ?47.86% Co
[0016]本發(fā)明采用四靶磁控濺射設(shè)備制備CrTiAlCN耐磨鍍層，四個濺射靶材分別為Cr、T1、Al、C(石墨)，Ar為派射氣體，N2為反應(yīng)氣體，Ar由質(zhì)量流量計控制，為20?25sccm，N2由光反射法OEM (Optical Emiss1n Method)控制，其值為50，固定Cr、T1、Al革巴的電流分別為2A、1.5A、1.5A，通過調(diào)整石墨靶的濺射電流來控制CrTiAlCN鍍層中的C元素含量。
[0017]本發(fā)明【具體實施方式】中所使用的靶材Cr靶、Ti靶、Al靶、石墨靶，均為市售常用靶材，純?yōu)闉?9.95 %，Ar氣、隊氣純度為99.999 %。
[0018]實施例1
[0019]本實施例中固定Cr、T1、Al靶的濺射電流分別為2A、1.5A、1.5A，石墨靶電流為0.3A，所制備的CrTiAlCN鍍層中元素含量分別為:35.71% Cr，10.32% Ti,3.54% Al，47.24% N, 3.19% C。
[0020]本實施例中得到CrTiAlCN鍍層，表面粗糙度為1.751E+00nm，顯微硬度為2353HV，對鋼的摩擦系數(shù)為0.6，與GCrl5鋼球?qū)δr的磨損率為5.69 X 10^15mVmN,與CrTiAlN鍍層這些力學(xué)性能指標2.452E+00nm、2260HV、0.7,7.14X l(T15mVmN相比，均有了不同程度的提提升，表面粗糙度降低了 28.59%，顯微硬度提高了 4.12%，摩擦系數(shù)降低了 14.29%，磨損率降低了 20.31%。
[0021]實施例2
[0022]本實施例中固定Cr、T1、Al革巴的濺射電流分別為2A、1.5Α、1.5Α，石墨靶電流為0.9Α，所制備的CrTiAlCN鍍層中元素含量分別為:27.58% Cr，9.84% Ti，6.05% Al,44.92% N，11.61% C。
[0023]本實施例中得到CrTiAlCN鍍層，表面粗糙度為6.944E_01nm，顯微硬度為2735HV，對鋼的摩擦系數(shù)為0.5，與GCrl5鋼球?qū)δr的磨損率為3.18 X 10_15m3/mN，與CrTiAlN鍍層這些力學(xué)性能指標2.452E+00nm、2260HV、0.7,7.14X l(T15mVmN相比，均有了不同程度的提提升，表面粗糙度降低了 71.68%，顯微硬度提高了 21.02%，摩擦系數(shù)降低了 28.57%，磨損率降低了 55.46%。
[0024]實施例3
[0025]本實施例中固定Cr、T1、Al靶的濺射電流分別為2A、1.5A、1.5A，石墨靶電流為1.5A，所制備的CrTiAlCN鍍層中元素含量分別為:27.40% Cr，5.90% Ti，2.21% Al,27.73% N, 36.76% C。
[0026]本實施例中得到CrTiAlCN鍍層，表面粗糙度為1.626E+01nm，顯微硬度為2560HV，對鋼的摩擦系數(shù)為0.35，與GCrl5鋼球?qū)δr的磨損率為6.06 X l(T15m3/mN，與CrTiAlN鍍層這些力學(xué)性能指標2.452E+00nm、2260HV、0.7、7.14X10_15mVmN相比，均有了不同程度的提升，表面粗糙度降低了 33.69%，顯微硬度提高了 13.27%，摩擦系數(shù)降低了 50.00%，磨損率降低了 15.13%。
[0027]實施例4
[0028]本實施例中固定Cr、T1、Al靶的濺射電流分別為2A、1.5A、1.5A，石墨靶電流為2.4A，所制備的CrTiAlCN鍍層中元素含量分別為:21.13% Cr，4.96% Ti，0.94% Al,25.11% N, 47.86% C。
[0029]本實施例中得到CrTiAlCN鍍層，表面粗糙度為2.226E+01nm，顯微硬度為2409HV，對鋼的摩擦系數(shù)為0.3，與GCrl5鋼球?qū)δr的磨損率為5.05 X 10_15m3/mN，與CrTiAlN鍍層這些力學(xué)性能指標2.452E+00nm、2260HV、0.7,7.14X l(T15mVmN相比，均有了不同程度的提升，表面粗糙度降低了 9.22%，顯微硬度提高了 6.59%，摩擦系數(shù)降低了 57.14%，磨損率降低了 29.27%。
[0030]綜上所述，本發(fā)明一種低摩擦系數(shù)CrTiAlCN耐磨鍍層及其制備方法，該制備方法為:采用四靶直流反應(yīng)磁控濺射的方法，以固體石墨靶為碳源，制備出摻雜碳主要以非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與CrTiAlN基體呈納米層狀結(jié)構(gòu)交替分布的摻碳改性類CrTiAlCN鍍層，具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，其鍍層元素含量為:21.13?39.64% Cr,4.96?7.21% Ti,0.94?4.44%Al, 25.11 ~ 48.71% N, 3.19 ?47.86% C。本發(fā)明制備的 CrTiAlCN鍍層較傳統(tǒng)的 CrTiAlN鍍層具有更低的摩擦系數(shù)，具有更優(yōu)良的耐磨性能，其作為各種工模具表面的耐磨鍍層有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0031]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明做任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種低摩擦系數(shù)的CrTiAlCN耐磨鍍層，其特征在于，該CrTiAlCN耐磨鍍層是由以下的質(zhì)量百分比組成:21.13 ?35.71% Cr,4.96 ?10.32% Ti,0.94 ?6.05% Al,25.11 ?47.24% N，3.19 ?47.86% C。2.—種如權(quán)利要求1所述的低摩擦系數(shù)的CrTiAlCN耐磨鍍層的制備方法，其特征在于是采用四靶直流反應(yīng)磁控濺射的方法，具體操作如下:對傳統(tǒng)的CrTiAlN鍍層進行改性，固體石墨革E為碳源，再分別固定Cr革E的派射電流為2A、1.5A、1.5A，使用Ar作為濺射氣體，使用隊作為反應(yīng)氣體，然后通過改變所述石墨靶的濺射電流來控制摻碳量，最終制備得到CrTiAlCN耐磨鍍層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的低摩擦系數(shù)的CrTiAlCN耐磨鍍層的制備方法，其特征在于:所述Cr靶、Ti靶、Al靶、石墨靶純度均為99.95% ;所述々!■、隊純度均為99.999%。4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的低摩擦系數(shù)的CrTiAlCN耐磨鍍層的制備方法，其特征在于:所述Ar作為派射氣體是由質(zhì)量流量計控制，為20?25sccm ;所述隊作為反應(yīng)氣體是由光發(fā)射法控制，其值為50。
【專利摘要】本發(fā)明是有關(guān)于一種低摩擦系數(shù)CrTiAlCN耐磨鍍層及其制備方法，該制備方法為：采用四靶直流反應(yīng)磁控濺射的方法，以固體石墨靶為碳源，制備出摻雜碳主要以非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與CrTiAlN基體呈納米層狀結(jié)構(gòu)交替分布的摻碳改性類CrTiAlCN鍍層,具有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，其鍍層元素含量為：21.13～35.71％Cr，4.96～10.32％Ti，0.94～6.05％Al，25.11～47.24％N，3.19～47.86％C。本發(fā)明制備的CrTiAlCN鍍層較傳統(tǒng)的CrTiAlN鍍層具有更低的摩擦系數(shù)的更優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，作為各種工模具表面的耐磨鍍層有著廣泛的應(yīng)用前景。
【IPC分類】C23C14/35, C23C14/06, C23C14/00
【公開號】CN104894512
【申請?zhí)枴緾N201510353060
【發(fā)明人】胡鵬飛, 蔣百靈, 賈貴西, 郭福全, 余東升, 范吉昌
【申請人】洛陽理工學(xué)院
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年6月24日