一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及制备方法技术

本发明专利技术公开一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及制备方法。所述具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层是采用多靶磁控溅射仪，由TiSiC复合靶材在依次经抛光、超声波清洗、离子清洗后的基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的。所述TiSiC复合靶材中，按原子比计算，Ti为84%，Si和C的总原子量为16%。该TiSiCN纳米复合涂层的硬度为36.1-46.0GPa，与GCr15钢球的摩擦系数为0.30-0.38，可用在干式、高速切削加工刀具以及在摩擦磨损条件服役的部件表面，从而提高刀具及部件表面性能和使用寿命。其制备方法具有工艺简单、沉积速度快、成本低、结合强度高等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及制备方法
本专利技术涉及一种新型硬质保护涂层，特别涉及一种具有超高硬度、低摩擦系数的的TiSiCN纳米复合涂层及其制备方法，利用C掺杂TiSiN纳米复合膜涂层进行进一步强化是本专利技术的特点，同时由于C元素的掺杂使涂层具有较低的摩擦系数。
技术介绍
随着社会的进步和科技的发展，材料表面性能要求越来越高，高硬度、耐磨、耐腐蚀性，耐高温性能等种种指标是衡量当今刀具性能的重要指标，为满足越来越高的工程需要，在材料表面涂覆一层硬质涂层是提高材料表面性能的一种经济实用的有效途径，硬质涂层作为机械功能膜的一个重要分支，在机械加工工具中应用很广，特别是在金属切削中占了主导地位。硬质涂层能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命。它的发展适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，引起了刀具材料和性能的巨变，可被广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。多年来，TiSiN纳米复合膜涂层由于具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性、较高的抗氧化性能等优点被广泛应用于保护性硬质涂层材料。然而，随着目前切削技术逐渐向高速切削和干式切削方向发展，对涂层材料的硬度、抗氧化性能、热稳定性等性能提出了更高的要求。传统的TiSiN复合涂层已逐渐不能满足现代切削技术的要求，因此迫切需要开发新型的保护性涂层材料。随着纳米科学与技术的发展，纳米复合涂层的进一步研究成为硬质涂层材料的重要发展方向。所谓纳米复合膜涂层是一种典型的用纳米结构进行强化的超硬涂层，该涂层是由界面相包裹基体相形成的三维网状结构。其致硬机理与其界面相包裹着纳米晶的复合结构有关，理想的TiSiN纳米复合膜涂层由纳米尺寸的TiN晶粒和Si3N4非晶相组合而成。整个膜层以TiN等轴纳米晶为主体，Si3N4作为界面相包裹在TiN纳米晶四周。由于TiN纳米晶内不含位错，难以变形，产生于低强度的Si3N4界面相中的微裂纹则由于受到TiN纳米晶的阻挡而难以扩展，使得纳米复合膜的硬度获得提高。因此，纳米复合涂层是新型保护型硬质涂层的重要发展方向。通过查文献得知，TiSiCN纳米复合膜涂层目前已经通过多种方法成功制得，取得不少有益的成果，如等离子体增强化学气相沉积TiSiCN纳米复合膜等。通过查询，检索到如下有关制备TiSiCN纳米复合膜涂层的中国专利：申请号为201110047212.1的专利涉及了一种中频磁控溅射技术制备TiSiCN纳米复合润滑薄膜的方法。本专利技术利用中频磁控溅射技术，以CH4和N2为反应气体溅射TiSi复合靶，通过调节复合靶中Ti和Si原子比、CH4和N2气体比例、脉冲偏压制备TiSiCN纳米复合润滑涂层。本专利技术解决了单一TiC、TiN和DLC薄膜摩擦学性能的局限性，克服了CVD法制备TiSiCN涂层残余气体毒性大的难题。制备的涂层具有较高的硬度，低的摩擦系数和良好的抗磨性，适用于轴承、小型转轴和空间运动部件等机械零部件表面的自润滑耐磨薄膜。一种TiSiN+ZrSiN复合纳米涂层刀具及其制备方法，属于机械切削加工领域，采用多弧离子镀+中频磁控溅射的方法制备，其结构为多层结构，刀具表面为ZrSiN层，ZrSiN层与TiSiN层之间有TiZrSiN过渡层，TiSiN层与基体间有Ti过渡层，其中TiSiN和ZrSiN层中Si含量的原子百分比为6～10%，该专利中将TiSiN涂层高硬性及ZrSiN涂层低摩擦系数良好结合，使刀具不仅具有高硬度，还有良好的摩擦磨损性能和优异的抗高温氧化性，切削过程中可减少粘结，减少刀具磨损，提高刀具寿命。申请号为200880018340.的专利涉及了一种表面被覆切削工具包括基材和在该基材上形成的涂膜，其特征在于所述涂膜包括复合超多层膜，所述复合超多层膜是将一个或多个第一超多层膜和一个或多个第二超多层膜交替堆叠而获得的，上述第一超多层膜是通过将一个或多个A1层和一个或多个B层交替堆叠而形成的，上述第二超多层膜是通过将一个或多个A2层和一个或多个C层交替堆叠而形成的，上述A1层和上述A2层各自由TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN中的任意一种构成，上述B层由TiSiN或TiSiCN构成，以及上述C层由AlCrN或AlCrCN构成。申请号为201010510348.7的专利涉及了一种硬质涂层，该硬质涂层包括一纳米复合层，该纳米复合层包括若干TiN层和若干SiCN层，所述TiN层和SiCN层交替排布。本专利技术还提供一种具有该硬质涂层的被覆件以及该被覆件的制备方法。本专利技术的硬质涂层硬度高，具有较好的耐磨性能和高温抗氧化性能。申请号为201010192207.5的专利涉及了一种CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法。该复合涂层包括粘结层、支撑层和主耐磨层，粘结层为Cr，支撑层为CrN，主耐磨层是由CrSiN层与TiAlSiN层交替构成的CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂层，或由纳米晶CrTiAlN镶嵌于非晶Si3N4的nc-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层。将上述粘结层沉积在刀具基体上，再沉积支撑层和主耐磨层，即得到沉积有该涂层的刀具。本专利技术所得CrTiAlSiN纳米复合涂层具有硬度高、摩擦系数低、附着力强的优点，沉积有该涂层的刀具具有高的表面硬度、较强的膜-基附着力、良好的耐磨性能和耐高温性能。申请号为96110195.4的专利涉及了一种涂覆有单层或多层耐高温材料层(其中一层由单相k-Al2O3构成)的物体，其特征在于晶体在涂层物体表面具有优先在(210)方向生长的显微结构。根据本专利技术的涂层刀具在加工球轴承钢时表现出增强的耐磨损性能。然而，上述现有的涂层仍存在着硬度、耐摩擦性能以及沉积效率无法兼顾的问题，具有硬度、抗高温氧化性能、生产效率不能满足高速切削和干式切削的性能要求等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层。即通过C掺杂使TiSiN纳米复合涂层得到进一步强化的新思路。其采用C掺杂使得涂层纳米复合结构的界面相进一步合金化，增加了涂层中相之间的弹性模量差，也使得涂层中交变应力场增强，同时涂层中的晶化界面相SiN与其包裹的纳米晶TiN呈共格外延生长，阻碍了TiN纳米晶粒沿晶界的滑移，抑制了TiSiCN纳米复合膜的微观变形，以达到全面提高硬度和弹性模量的效果，同时由于C元素的掺杂使涂层具有较低的摩擦系数。该涂层可作为高速干式切削的刀具涂层和其它耐摩擦磨损领域的保护性涂层。本专利技术的另外一目的是提供上述的一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的制备方法，该制备方法具有生产效率高、能耗低、对设备要求较低等优点。本专利技术的技术方案一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层是采用多靶磁控溅射仪，由TiSiC复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的，其厚度优选为2.5-4.0μm；所述基体为金属、硬质合金、陶瓷或单晶Si。上述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的制备方法，具体包括如下步骤：（1）、清洗基体首先将经抛光处理后的基体送入超声波清本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，其特征在于所述具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层是采用多靶磁控溅射仪，由TiSiC复合靶材在依次经抛光、超声波清洗、离子清洗后的基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的；所述的基体为金属、硬质合金、陶瓷或单晶Si。

【技术特征摘要】
1.一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，其特征在于所述具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层是采用多靶磁控溅射仪，由TiSiC复合靶材在依次经抛光、超声波清洗、离子清洗后的基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的；所述的基体为金属、硬质合金、陶瓷或单晶Si；所述的TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Ti为84%，Si和C的总原子量为16%；所述的TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Si：C为12%：4%、8%：8%、4%:12%、2%：14%；所述的TiSiC复合靶材的直径为75mm。2.如权利要求1所述的一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，其特征在于所述的磁控溅射反应沉积，其过程的工艺控制如下：Ar气流量：30-50sccm，N2气流量：4-10sccm；射频溅射功率300W，时间2h；靶基距3-7cm；总气压范围0.2-0.4Pa；基体温度为300℃。3.如权利要求2所述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，其特征在于所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，薛增辉，刘平，马凤仓，刘新宽，陈小红，何代华，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31