一種高硬度CrBCN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CrBCN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]隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對材料的表面性能提出了越來越高的要求，要求材料在保持一定韌性的同時(shí)，還要求材料表面具有較高的硬度、耐磨、耐腐蝕和耐高溫性能。在材料表面涂覆一定厚度的涂層是提高材料表面性能的一種有效途徑，其發(fā)展適應(yīng)了現(xiàn)代社會對材料服役性能的高技術(shù)要求，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車工業(yè)、地質(zhì)鉆探、模具工業(yè)等領(lǐng)域。納米硬質(zhì)涂層是一種有效的表面改性技術(shù)。超硬涂層是硬度大于40GPa的涂層材料，硬質(zhì)合金超硬涂層刀具集成了強(qiáng)度、韌性和硬度優(yōu)勢，可大幅提高切削加工效率和質(zhì)量，滿足高速高效數(shù)控切削加工的新需求，成為新一代高檔刀具的代表。開發(fā)超硬涂層涂層，對提高我國數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用水平，提升我國基礎(chǔ)制造能力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。隨著材料服役環(huán)境的日益惡化，對保護(hù)性涂層材料的性能也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的保護(hù)性涂層，如TiN、TiC、TiCN、CrN、TiAlN等等二元和三元涂層已逐漸不能滿足要求主要缺點(diǎn)是其硬度、膜/基結(jié)合力、耐磨性能及耐熱性能不能滿足極其惡劣條件下的切削要求。

　　[0003]納米晶-非晶復(fù)合涂層是近年來迅速發(fā)展的高性能新型涂層，該材料涂層的納米晶被非晶相包裹，具有良好的硬度、耐磨性、耐蝕性等性能，能夠使涂層刀具具有更高的切削性能和更長的使用壽命。近年來，由于具有高硬度、高模量、高耐磨性以及優(yōu)異的抗高溫性能，在納米晶-非晶復(fù)合超硬涂層中，涂層的高硬度主要由涂層中的結(jié)晶相和非晶相的結(jié)構(gòu)有關(guān)系，結(jié)晶相顆粒的大小直接決定了涂層的硬度。納米晶復(fù)合超硬材料以其優(yōu)異的性能，如超高硬度、高韌性及低的摩擦系數(shù)等，引起了全世界的科研工作者的極大興趣。已成為先進(jìn)保護(hù)性涂層領(lǐng)域重要的發(fā)展方向，能夠滿足高速切削和干式切削的要求。

　　[0004]目前，通過查詢文獻(xiàn)可知，納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層已經(jīng)通過不同的物理氣相沉積方法成功制得，通過查新檢索到如下制備納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的相關(guān)專利:

　　[0005]申請?zhí)枮?01210011554的中國專利涉及一種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的V-Al-N硬質(zhì)涂層，成分表示為(VpxAIx)N,其中，1-x為0.41?0.6，x為0.4?0.59，在保證較低摩擦系數(shù)的同時(shí)，能夠保證具有較高的硬度，特別適合作為刀具涂層。該發(fā)明還公開了 V-Al-N硬質(zhì)涂層的制備方法，包括以下步驟:基體清洗;沉積涂層:在真空室中，將Al靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，通入Ar氣和N2氣，通過調(diào)節(jié)Al靶的功率和V靶的功率，在250°C?500°C和

　　0.3Pa?1.0Pa條件下，對基體濺射沉積納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的V-Al-N硬質(zhì)涂層。

　　[0006]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，其中含有欽、絡(luò)、招、娃和氣兀素，晶粒大小在5?15nm，涂層厚度I?4μηι，涂層顯微硬度30GPa，高溫穩(wěn)定性達(dá)到1022°C以上，適用于高速條件下的高硬度鋼材料切削加工。

　　[0007]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的超高硬度涂層，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、生產(chǎn)過程復(fù)雜等一系列缺陷，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

　　【發(fā)明內(nèi)容】

　　[0008]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種具有高硬度、高耐磨性的CrBCN納米復(fù)合保護(hù)性涂層，可作為高速切削刀具、模具等零件的涂層和其他領(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、無污染、對設(shè)備要求較低等優(yōu)點(diǎn)。

　　[0009]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明上述目的所采用的技術(shù)方案為:

　　[0010]一種高硬度CrBCN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層，沉積覆蓋于基體上，所述的保護(hù)性涂層與基體之間設(shè)置有過渡層，所述過渡層分為上下兩層，與基體相接觸的下層為金屬結(jié)合層Cr，與保護(hù)性涂層相接觸的上層為CrN，過渡層的厚度為200?400nm，所述保護(hù)性涂層為非晶BCN界面相包裹CrN納米等軸晶粒的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，其厚度為2?5μηι。

　　[0011 ]所述CrN納米等軸晶粒的晶粒尺寸為5?1nm。

　　[0012]所述基體為硬質(zhì)合金、不銹鋼、高速鋼、碳鋼、模具鋼或陶瓷。

　　[0013]所述的高硬度CrBCN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層的制備方法包括以下步驟:

　　[0014](I)、靶材的選用:選用純度為99.99%的兩個(gè)鉻靶和兩個(gè)硼鉻靶的組合方式，四個(gè)靶材互成90度放置，中間為加熱棒；

　　[0015](2)、基體預(yù)處理工藝:將基體表面使用洗滌劑進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理，然后進(jìn)行拋光處理，最后分別使用丙酮和乙醇進(jìn)行超聲波清洗，烘干后裝入真空室，然后進(jìn)行離子清洗；

　　[0016](3)、沉積過渡層:將離子清洗后的基體在2000C?400°C，真空度Ix 10—3Pa、偏壓一800V的條件下沉積金屬Cr層，然后在1.0Pa氮?dú)猸h(huán)境下、鉻靶由射頻陰極控制，偏壓-150?-200伏條件下，沉積10?20min，得到CrN層，Cr層與CrN層的總厚度為200?400nm;

　　[0017](4)、CrBCN層制備:利用硼鉻靶在真空室內(nèi)進(jìn)行沉積CrBCN層，真空室的本底真空度優(yōu)于5X10—3Pa,硼鉻靶由射頻陰極控制，派射氣氛采用Ar與他以及乙炔C2H2的混合氣體，沉積氣壓為0.8?2Pa，基體溫度200 °C?400 °C，濺射功率為280?400W，濺射時(shí)間為90?120min，革E基距為5cm，在過渡層的表面上沉積得到2?5μηι厚的CrBCN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層。

　　[0018]步驟(2)中所述的離子清洗具體為:將所述基體裝進(jìn)真空室，抽真空后開Ar氣，Ar氣流量為20?50sccm，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?100W;硼鉻靶的弧電流控制為70安培，鉻靶的弧電流控制為70安培，轟擊偏壓控制為-350伏。

　　[0019]步驟(2)中超聲波清洗機(jī)的頻率為15?30kHz。

　　[0020]所述步驟(4)中，Ar氣流量為20?50sccm，N2氣流量為100?120sccm，乙炔C2H2氣體流量為30?60sccmo

　　[0021]步驟(3)和(4)中，基體的溫度范圍為200 0C?400 V。

　　[0022]采用本發(fā)明所述工藝方法獲得的CrBCN保護(hù)涂層由納米CrN基體相和非晶BCN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BCN界面相包裹晶粒尺寸為5?1nm的CrN納米等軸晶粒，利用BCN非晶相的分散效應(yīng)降低CrN的內(nèi)應(yīng)力。利用BCN涂層非晶特性限制CrN涂層的晶粒生長，獲取納米晶狀態(tài)的CrN，使CrN涂層具有良好的韌性。在該納米復(fù)合結(jié)構(gòu)下，位錯運(yùn)動難以開展。同時(shí)由于氮化鉻過渡層的加入，使得該發(fā)明提高了薄膜與基體間的結(jié)合力和耐熱性能，尤其改善了薄膜的硬度和耐磨性能，因此，所述CrBCN保護(hù)性涂層不但具有超過40GPa的高硬度，而且具有優(yōu)良的抗高溫氧化性和耐腐蝕能力，膜的膜/基結(jié)合力高達(dá)200N以上。本發(fā)明可作為高速干式切削刀具、模具等零件的涂層和其他領(lǐng)域承受磨損沖擊等高載荷裝備的保護(hù)性涂層。并且本發(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)，生產(chǎn)效率高、能耗低、對設(shè)備要求較低。

　　【附圖說明】

　　[0023]圖1為本發(fā)明所使用的多靶磁控濺射儀的結(jié)構(gòu)示意圖；

　　[0024]圖2為本發(fā)明所制備的CrBCN復(fù)合涂層截面形貌圖；

　　[0025]圖3為本發(fā)明所制備的CrBCN復(fù)合涂層的的表面形貌圖。

　　【具體實(shí)施方式】

　　[0026]本發(fā)明以下實(shí)施例中所制備的高硬度CrBCN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層，沉積覆蓋于基體上，所述基體為硬質(zhì)合金、不銹鋼、高速鋼、碳鋼、模具鋼或陶瓷。所述的保護(hù)性涂層與基體之間設(shè)置有過渡層，所述過渡層分為上下兩層，與基體相接觸的下層為金屬結(jié)合層Cr，與保護(hù)性涂層相接觸的上層為CrN，過渡層的厚度為200?400nm，所述保護(hù)性涂層為非晶BCN界面相包裹CrN納米等軸晶粒的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，其厚度為2?5μηι。所述CrN納米等軸晶粒的晶粒尺寸為5?10nm。

　　[0027]制備本發(fā)明所述的高硬度CrBCN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層所用的儀器分別為:JGP-450型多靶磁控濺射儀和M308457超聲波清洗機(jī)。