高硬度CrAlSiN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型硬質(zhì)保護(hù)涂層，特別涉及一種高硬度CrAlSiN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層及其制備方法，應(yīng)用于刀具、模具等承受耐磨、沖擊等載荷零件作為保護(hù)性涂層，屬于材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，對材料的表面性能提出了越來越高的要求，要求材料表面具有較高的硬度、耐磨、耐腐蝕和耐高溫性能。在材料表面涂覆一層超硬涂層是提高材料表面性能的一種有效途徑，它的發(fā)展適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)對承受耐磨、沖擊等載荷的金屬切削刀具、模具等裝備的高技術(shù)要求，可被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車工業(yè)、地質(zhì)鉆探、模具制造等工業(yè)領(lǐng)域。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，對刀具涂層的性能也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的刀具涂層，如TiN、TiCN、CrN、TiAlN涂層已逐漸不能滿足要求。
[0003]納米結(jié)構(gòu)涂層技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的涂層新技術(shù)，其涂層材料的晶粒度一般都在10nm以下，具有良好的硬度、耐磨性、耐蝕性等性能，可使涂層刀具具有更高的切削性能和更長的使用壽命。
[0004]通過查新檢索到如下制備納米結(jié)構(gòu)涂層的相關(guān)專利:
[0005]申請?zhí)枮?01010176236的中國專利涉及一種納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物刀具涂層及其制備方法，刀具基體為WC/Co硬質(zhì)合金，涂層包含有過渡層的納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物涂層，其中含有鈦、鉻、鋁、硅和氮元素，晶粒大小在5?15nm，涂層厚度I?4 ym，涂層顯微硬度30GPa，高溫穩(wěn)定性達(dá)到1022°C以上。該發(fā)明所述納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物涂層刀具采用離子鍍與濺射鍍相結(jié)合的方式制備，適用于高速條件下的高硬度鋼材料切削加工。
[0006]申請?zhí)枮?01010597419的中國專利涉及一種CrAlN/Si02納米多層涂層材料，其由多個CrAlN層和Si02層構(gòu)成，各CrAlN層和Si02層交替沉積在基體上形成納米量級多層結(jié)構(gòu)，其總厚度為1.9-2.2 μπι，每一 CrAlN層厚度為5nm，每一 Si02層厚度為0.6-1.3nm ；該發(fā)明還公開了涂層材料的制備方法，首先將基體作表面拋光處理，經(jīng)超聲波清洗和離子清洗后，再采用反應(yīng)濺射法在基體上交替濺鍍CrAlN層和Si02層。該發(fā)明不但具有高于30GPa的硬度和高于350GPa的彈性模量，而且還具有高抗高溫氧化能力和優(yōu)良的耐腐蝕能力，可作為高速切削刀具及其它高溫條件下服役的耐磨工件的保護(hù)涂層。
[0007]申請?zhí)枮?01010597416的中國專利涉及一種CrAlN保護(hù)涂層，沉積在基體上，其為兩層結(jié)構(gòu)，底層是Cr過渡層，厚度為400-600nm，外層是CrAlN涂層，為致密的陶瓷涂層，厚度為2.2-2.9 μπι;該發(fā)明還公開了保護(hù)涂層的制備方法，首先將基體作表面拋光處理，經(jīng)超聲波清洗和離子清洗后，再采用直流或射頻反應(yīng)濺射法在基體上先后濺鍍Cr過渡層和CrAlN涂層。本發(fā)明不但具有高達(dá)30GPa左右的硬度和350GPa以上的彈性模量，而且還具有高抗高溫氧化能力和優(yōu)良的耐腐蝕能力，可用作為高速、干式切削的刀具涂層和其他領(lǐng)域中基體的保護(hù)涂層。
[0008]申請?zhí)枮?01310175456的中國專利涉及一種TiSiN+ZrSiN復(fù)合納米涂層刀具及其制備方法，屬于機(jī)械切削加工領(lǐng)域。該涂層刀具的基體材料為硬質(zhì)合金或高速鋼，采用多弧離子鍍+中頻磁控濺射的方法制備，其結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)，刀具表面為ZrSiN層，ZrSiN層與TiSiN層之間有TiZrSiN過渡層，TiSiN層與基體間有Ti過渡層，其中TiSiN和ZrSiN層中Si含量的原子百分比為6?10%。所述發(fā)明將TiSiN涂層的高硬性及ZrSiN涂層的低摩擦系數(shù)良好結(jié)合，刀具不僅具有高硬度，還有良好的摩擦磨損性能和優(yōu)異的抗高溫氧化性，切削過程中可減少粘結(jié)，減少刀具磨損，提高刀具壽命。該涂層刀具可廣泛應(yīng)用于干切削加工及難加工材料的切削加工。
[0009]申請?zhí)枮?00910038284的中國專利涉及一種納米復(fù)合鈦硅氮化物刀具涂層，涂層配方如下:鈦30-68at.%、硅2-20at.%、氮30_50at.其各成分總和應(yīng)為100%。使用該發(fā)明制成的刀具，其抗機(jī)械磨損性能和抗磨料磨損性能均有大幅度提高，可以滿足現(xiàn)代化工業(yè)對合金刀具更好性能的需求，有較大的市場潛力和切實(shí)的使用價值。
[0010]上述現(xiàn)有納米結(jié)構(gòu)涂層及其制備技術(shù)中，未曾見到能達(dá)到超過40GPa的高硬度涂層，而且彈性模量也較低；此外，現(xiàn)有的制備技術(shù)在制備過程中能耗較大，效率較低，并且所使用的設(shè)備也有成本高、過程復(fù)雜等一系列缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高硬度、高耐磨性的CrAlSiN納米復(fù)合保護(hù)性涂層，可作為高速干式切削的刀具涂層和其他領(lǐng)域裝備的保護(hù)涂層，并且其制備方法具有生產(chǎn)效率高、能耗低、工藝簡單、對設(shè)備要求較低等優(yōu)點(diǎn)。
[0012]本發(fā)明解決其技術(shù)問題的技術(shù)方案是:
[0013]—種高硬度CrAlSiN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層，沉積覆蓋在基體上，其特征在于，所述保護(hù)性涂層由CrAlN基體相和Si3N4界面相組成，并且在該保護(hù)性涂層內(nèi)部形成Si 3N4界面相包裹CrAlN納米等軸晶粒的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0014]進(jìn)一步地，所述CrAlN納米等軸晶粒的晶粒尺寸為5?10nm。
[0015]進(jìn)一步地，所述基體為金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷。
[0016]本發(fā)明的另一技術(shù)方案是:
[0017]一種上述高硬度CrAlSiN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層的制備方法，其包括如下制備步驟:
[0018]⑴基體清洗
[0019]將經(jīng)打磨鏡面拋光處理后的基體在無水乙醇和丙酮中利用超聲波清洗5?1min ；
[0020]然后進(jìn)行離子清洗:將所述基體裝進(jìn)進(jìn)樣室，抽真空后開Ar氣，維持真空度在2?4Pa，采用射頻電源對所述基體進(jìn)行30min的離子轟擊，功率為80?10W ；
[0021](2) CrN過渡層制備
[0022]將經(jīng)步驟(I)處理后的基體送到濺射室進(jìn)行沉積CrN過渡層，Cr靶材由直流陰極控制，用直流電源沉積3?6min，得到200?300nm的CrN過渡層；
[0023](3) CrAlSiN 層制備
[0024]利用CrAlSi復(fù)合靶材在真空室內(nèi)進(jìn)行沉積CrAlSiN層，真空室的本底真空度優(yōu)于5X 10?,CrAlSi復(fù)合靶材由射頻陰極控制，濺射氣氛采用Ar與N2的混合氣體，濺射功率為280?400W，濺射時間為90?140min，靶基距為5cm，在步驟(2)制備的CrN過渡層的表面沉積得到2?4 μπι的CrAlSiN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層。
[0025]進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，總氣壓為0.4?0.8Pa，Ar/N2流量比的范圍為5?10。
[0026]進(jìn)一步地，所述步驟(I)中，超聲波的頻率為15?30kHz。
[0027]進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，Ar氣流量為10?50sccm，N2氣流量為10?50sccm。
[0028]進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，基體的溫度范圍為100°C?400°C。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0030]采用本發(fā)明所述工藝方法獲得的CrAlSiN保護(hù)涂層由CrAlN基體相和Si3N4界面相兩相組成，并且在涂層內(nèi)部形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，即Si3N4界面相包裹晶粒尺寸為5 — 1nm的CrAlN納米等軸晶粒，在該納米復(fù)合結(jié)構(gòu)下，位錯運(yùn)動難以開展，因此，所述CrAlSiN保護(hù)性涂層不但具有43.6GPa的高硬度，而且具有優(yōu)異的耐磨性、抗高溫氧化性和耐腐蝕能力，可作為高速、干式切削的刀具涂層和其他領(lǐng)域承受磨損沖擊等高載荷裝備的保護(hù)涂層。本發(fā)明所述制備方法具有工藝簡單、沉積速度快、成本低等特點(diǎn)，并且具有生產(chǎn)效率高、能耗低、對設(shè)備要求較低等優(yōu)點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0031]本發(fā)明所述高硬度CrAlSiN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層沉積覆蓋在基體上，該基體為金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷；所述保護(hù)性涂層由CrAlN基體相和Si3N4界面相組成，并且在該保護(hù)性涂層內(nèi)部形成Si3N4界面相包裹CrAlN納