一種高硬度低摩擦系數(shù)的納米涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于材料表面工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種涂層，具體來(lái)說(shuō)是一種高硬度低摩擦系數(shù)的納米涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料的切削往高速和干式兩個(gè)方向發(fā)展，因此對(duì)刀具材料的表面性能提出了越來(lái)越高的要求，要求刀具材料表面具有較高的硬度、耐磨、耐腐蝕和較低的摩擦系數(shù)。涂層技術(shù)是提高刀具性能和壽命的重要途徑。隨著高速切削、干式切削等先進(jìn)切削技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)刀具涂層的性能也提出了更高的要求，不僅要具備高硬度、高彈性模量、耐磨性和韌性等機(jī)械性能，還要具備抗高溫氧化性能、耐蝕性以及較低的摩擦系數(shù)。傳統(tǒng)的刀具涂層，如TiN、CrN甚至TiAlN涂層已逐漸不能滿足苛刻的性能要求。
[0003]納米多層涂層是由兩種材料以納米量級(jí)交替沉積形成的多層薄膜，因其在物理性能與力學(xué)性能的異常表現(xiàn)而得到了廣泛的關(guān)注。尤其在力學(xué)性能方面，一些調(diào)制周期小于10nm的納米多層膜，呈現(xiàn)出彈性模量與硬度異常升高的超模效應(yīng)與超硬效應(yīng)。1987年，Barnett等發(fā)現(xiàn)TiN/NbN和TiN/VN納米多層膜的硬度大幅提高到50GPa的超硬效應(yīng)，顯示出良好的應(yīng)用前景。目前，作為超硬的保護(hù)性涂層，人們對(duì)納米多層涂層的研究在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)廣泛進(jìn)行，納米多層涂層在實(shí)際的工程應(yīng)用上也取得了不少的進(jìn)展。
[0004]通過(guò)查文獻(xiàn)得知，納米多層涂層目前已經(jīng)通過(guò)多種方法成功制得，在諸多體系中也獲得了超硬效應(yīng)，對(duì)該類涂層的研究也取得了不少有益的成果。通過(guò)查詢，檢索到如下有關(guān)納米多層涂層的中國(guó)專利:
申請(qǐng)?zhí)枮镃N200610029133的專利涉及了一種Zr02/TiN硬質(zhì)納米多層涂層，屬于陶瓷涂層領(lǐng)域。本發(fā)明由ZrO2層和TiN層交替沉積在硬質(zhì)合金、陶瓷或金屬基底上形成，Zr02/TiN層的厚度為2?8nm，TiN層厚為0.4?1.2nm，涂層總厚度為2?5μπι。本發(fā)明的Zr02/TiN納米多層涂層采用在氬氣氛中的雙靶濺射技術(shù)在拋光的金屬或陶瓷基體表面交替沉積ZrO2層和TiN層得到。本發(fā)明所得的Zr02/TiN納米多層涂層不但具有優(yōu)異的高溫抗氧化性，而且具有19.16?&至236?3的硬度。
[0005]申請(qǐng)?zhí)枮?00910055596.4的專利涉及一種VC/Si3N4納米多層涂層及其制備方法，屬于陶瓷涂層領(lǐng)域。VC/Si3N4高硬度納米多層涂層由VC層和Si3N4層交替沉積在金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷基底上形成，VC層的厚度為2?8nm，Si3N4層厚為0.2?0.9nm。本發(fā)明涂層制備如下:首先將金屬或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，然后通過(guò)在金屬或陶瓷的基體上采用雙靶射頻反應(yīng)濺射方法交替沉積VC層和Si3N4層，制取VC/Si3N4納米多層涂層，其中VC采用VC靶直接濺射得到，而Si3N4采用直接濺射Si3N4化合物靶材提供。本發(fā)明所得的VC/Si3N4納米多層涂層不但具有優(yōu)良的高溫抗氧化性，而且具有高于40GPa的硬度。本發(fā)明作為高速切削刀具尤其是高速切削的銑削刀具和螺紋刀具的表面涂層。
[0006]申請(qǐng)?zhí)枮镃N201110082001的專利涉及了一種T1-Zr/ZrN納米多層涂層刀具及其制備工藝，刀具基體材料為硬質(zhì)合金或高速鋼，刀具基體表面為ZrN高硬度涂層，刀具基體與ZrN高硬度涂層之間有Ti過(guò)渡層，在Ti過(guò)渡層與表面ZrN高硬度涂層之間為Zr和ZrN交替的多層結(jié)構(gòu)。具體工藝包括前處理、離子清洗、沉積Ti過(guò)渡層、反復(fù)沉積Zr層和ZrN層、沉積表面ZrN層的步驟。T1-Zr/ZrN納米多層涂層刀具含有高硬度ZrN涂層和韌性金屬Zr，可以保持較高硬度的同時(shí)提高涂層的韌性和與基體間的結(jié)合強(qiáng)度，從而提高涂層的耐磨性。然而，該工藝制備的納米多層涂層的抗高溫氧化性能仍需進(jìn)一步提高。
[0007]申請(qǐng)?zhí)枮镃N201010237724的專利涉及了一種切削工具技術(shù)領(lǐng)域的硼化鈦/氮化硅納米多層涂層及其制備方法，納米多層涂層由TiB2和Si3N4兩種材料交替沉積形成納米量級(jí)的多層結(jié)構(gòu)，在多層結(jié)構(gòu)中的每一個(gè)雙層結(jié)構(gòu)，TiB2層的厚度為2?8nm，Si3N4層厚為0.2?0.8nm。制備方法如下:首先將金屬或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，然后通過(guò)在金屬或陶瓷的基體上采用在Ar氣氛中雙靶射頻濺射方法交替沉積TiB2層和Si3N4層，制取TiB2/Si3N4納米多層涂層，其中TiB2采用TiB2靶直接濺射得到，而Si3N4采用直接濺射Si3N4化合物靶材提供。本發(fā)明所得的TiB2/Si3N4納米多層涂層不但具有優(yōu)良的高溫抗氧化性，而且具有高于37GPa的硬度。
[0008]申請(qǐng)?zhí)枮镃N200510111216.6—種陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域的高硬度ZrN/AMOi—xNx)3納米多層涂層。由Al2(OhNx)3層和ZrN層交替沉積在金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷的基體上組成，具有優(yōu)良的高溫抗氧化性，而且具有高于30GPa的硬度和超過(guò)1000°C的抗氧化溫度。作為高速切削刀具及其它在高溫條件下服役耐磨工件的涂層。
[0009]然而，上述現(xiàn)有的涂層仍存在著硬度、摩擦系數(shù)不能滿足高速切削和干式切削的性能要求的缺點(diǎn)，以及涂層性能、沉積條件以及沉積效率無(wú)法兼顧的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種高硬度低摩擦系數(shù)的納米涂層及其制備方法，所述的這種高硬度低摩擦系數(shù)的納米涂層及其制備方法解決了現(xiàn)有技術(shù)中的涂層仍存在著硬度、摩擦系數(shù)不能滿足高速切削和干式切削的性能要求的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)涂層性能、沉積條件以及沉積效率無(wú)法兼顧的技術(shù)問(wèn)題。
本發(fā)明提供了一種高硬度低摩擦系數(shù)的納米涂層，由至少一層HfC層和至少一層SiC層組成，所述的HfC層和SiC層交替沉積在基體上，所述基體為金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷。
[0〇11 ] 進(jìn)一步的，所述的HfC層的厚度在4-8nm之間，所述的SiC層的厚度在0.3-1.2nm之間，所述的納米涂層的總厚度在2?4μηι之間。
[0012]本發(fā)明還提供了上述的一種高硬度低摩擦系數(shù)的納米涂層的制備方法包括如下制備步驟:
1)一個(gè)對(duì)基體進(jìn)行清洗的步驟，將經(jīng)打磨鏡面拋光處理后的基體在有機(jī)溶劑中，利用15?30kHz超聲波清洗5?1min;然后進(jìn)行離子清洗，在進(jìn)行離子清洗的過(guò)程中，將基體裝好后裝進(jìn)進(jìn)樣室，抽真空到5*10—3Pa后開Ar氣，維持真空度在2_4Pa，用13.56Hz的射頻對(duì)基體進(jìn)行離子轟擊，功率為80-100W ；
2)—個(gè)交替濺射HfC層和SiC層的步驟;采用直流或射頻反應(yīng)濺射的方式，通過(guò)交替停留在純Hf靶和SiC靶前，獲得由至少一層HfC層和至少一層SiC層交替疊加的納米涂層，濺射純Hf靶的過(guò)程中的氬氣流量為30-50sccm、乙炔流量為2-5sccm;沉積HfC層的功率為150W，時(shí)間為10-208;沉積31(:層的功率為801，時(shí)間為3-128;靶基距為3-7011;總氣壓范圍0.2-0.6Pa;基片溫度范圍200-400°C。
[0013]進(jìn)一步的，在一個(gè)對(duì)基體進(jìn)行清洗的步驟中，將經(jīng)打磨鏡面拋光處理后的基體依次在分析純的酒精和丙酮中進(jìn)行超聲波清洗。
[0〇14 ]進(jìn)一步的，所述的Hf C層由純Hf革E材在(Ar+C2H4)氣氛下制得，所述的S i C采用直接濺射SiC化合物靶材制得。
具體的，SiC層厚度小于1.2nm時(shí)被HfC所晶化，具有共格外延生長(zhǎng)的特征，涂層具有面心立方晶體結(jié)構(gòu)。
[0015]本發(fā)明的HfC/SiC納米多層涂層不但具有高硬度和耐磨性，其最高硬度可達(dá)36.2GPa，而且由于較高的C含量使涂層具有相對(duì)較低的摩擦系數(shù)，與軸承鋼之間的摩擦系數(shù)約為 0.3。
本發(fā)明和已有技術(shù)相比，其技術(shù)進(jìn)步是顯著的。本發(fā)明HfC/SiC納米多層涂層可在高硬度、高耐磨、低摩擦系數(shù)等場(chǎng)合下服役，如刀具、模具的保護(hù)性涂層等;此外，HfC/SiC納米多層涂層制備工藝還具有工藝簡(jiǎn)單、沉積速度快、成本低、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1的HfC/SiC納米多層涂層的橫截面高分辨透射電鏡形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面通過(guò)具體實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但并不限制本發(fā)明。
[0018]本發(fā)明所用的制備、表征和測(cè)量?jī)x器:
JGP-450型磁控濺射系統(tǒng)，中科院沈陽(yáng)科學(xué)儀器研制中心有限公司
D8 Advance型X射線衍射儀，德國(guó)Bruker公司
NANO Indenter G200型納米壓痕儀，美國(guó)安捷倫科技公司
Tecnai G2 20型高分辨透射電子顯微鏡，美國(guó)FEI公司
Qu