一种强韧耐磨涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种强韧耐磨涂层，所述强韧耐磨涂层的化学式为V‑X‑C‑N，其中X为Al、Si中的至少一种，所述强韧耐磨涂层中包括sp2非晶碳以及立方V(C,N)相结构，所述sp2非晶碳包裹所述立方V(C,N)相结构。由于所述强韧耐磨涂层中包括sp2非晶碳，sp2非晶碳可作为软质相，这有利于降低涂层应力，增强韧性，并且sp2非晶碳在摩擦过程中可提供润滑相，因而可提高涂层的耐磨特性。本发明专利技术还提供一种强韧耐磨涂层的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种强韧耐磨涂层及其制备方法
本专利技术涉及表面涂层
，尤其涉及一种强韧耐磨涂层及其制备方法。
技术介绍
金属切削刀具表面涂层技术是指通过化学或物理的方法在工件表面上获得微纳米级的涂层。因该涂层具有硬度高、润滑性好、高温性能优异等特点，使切削刀具在保持基底材料的优异性能同时，可延长刀具使用寿命，改善刀具切削性能，并大幅度提高机械加工效率。目前应用最为广泛的涂层材料是二元或多元氮化物，如以TiN、TiCN、TiAlN、TiCrN、TiSiN等为代表的Ti基涂层；以CrN、CrAlN、CrCN、CrSiN、CrAlSiN等为代表的Cr基涂层；还有一些低摩擦DLC、ta-C为代表的碳基涂层等。近年来，随着被加工材料能级的不断提高(高精、高效、高速)，高强、高韧等难切削新材料的出现(如航空航天、汽车、海洋工程装备等用钛合金、高硅铝合金、碳纤维复合材料、双相钢等)，干式、绿色等特殊加工要求的提出(无油、环保)，给硬质涂层的发展提出了更高的挑战。而传统硬度低、韧性差、摩擦系数高的硬质涂层已很难满足其苛刻应用需求。例如硬度较低的涂层在重载荷服役过程中极易快速磨穿；硬度高韧性差的涂层在摩擦过程中容易产生疲劳裂纹，使涂层发生大面积剥落失效。Ti基和Cr基涂层摩擦系数高，导致切削区温度过高，切削过程中粘刀现象时有发生，加工工件表面质量不高。DLC和ta-C等碳膜涂层材料虽具有较低的摩擦系数，但压应力大，耐氧化温度较低，在切削加工过程中极易发生脆性剥落和氧化失效。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种强韧耐磨涂层及其制备方法，以解决现有技术中的问题。本专利技术提供一种强韧耐磨涂层，所述强韧耐磨涂层的化学式为V-X-C-N，其中X为Al、Si中的至少一种，所述强韧耐磨涂层中包括sp2非晶碳以及立方V(C,N)相结构，所述sp2非晶碳包裹所述立方V(C,N)相结构。优选的，当X含有Si时，所述强韧耐磨涂层中还包括非晶Si3N4，所述非晶Si3N4与sp2非晶碳复合形成复合物，该复合物包裹所述立方V(C,N)相结构。优选的，所述强韧耐磨涂层中V含量为10at.％～50at.％，X含量为5at.％～20at.％，C含量为5at.％～40at.％，N含量为20at.％～50at.％。优选的，所述强韧耐磨涂层中V含量为20at.％～30at.％，C含量为20at.％～40at.％，N含量为20at.％～40at.％。优选的，所述强韧耐磨涂层的厚度为1微米～4微米。本专利技术还提供一种强韧耐磨涂层的制备方法，该制备方法包括以下步骤：(1)提供基底，对该基底进行清洗；(2)以复合靶为沉积靶材，N2为反应气体，在氩气和氮气的混合气氛下采用磁控溅射法在所述基底的表面沉积得到强韧耐磨涂层，其中，所述复合靶为V-Al-C、V-Si-C或V-Al-Si-C，所述强韧耐磨涂层中包括sp2非晶碳以及立方V(C,N)相结构，所述sp2非晶碳包裹所述立方V(C,N)相结构。优选的，步骤(2)中所述复合靶的化学式为V-X-C-N，X为Al、Si中的至少一种，V含量为10at.％～50at.％，X含量为5at.％～20at.％，C含量为5at.％～40at.％，N含量为20at.％～50at.％。优选的，步骤(2)中压力为0.3Pa～1.0Pa，氩气的流量为40sccm～80sccm，氮气的流量为5sccm～100sccm，溅射电流为0.5A～4A，溅射时间为60min～240min。优选的，在步骤(1)之后步骤(2)之前，还包括采用采用线性阳极层离子源产生的氩等离子体对基底进行刻蚀的步骤，其中压力为0.2Pa～0.6Pa，氩气流量为20sccm～60sccm，离子源电流为0.1A～0.3A，刻蚀时间为10min～40min。优选的，在对基底刻蚀之后步骤(2)之前，还包括在基底的表面沉积过渡层的步骤，所述过渡层的材料为Ti或Cr，所述过渡层的厚度为0.4微米～1微米。相较于现有技术，所述强韧耐磨涂层具有以下优点：第一，由于所述强韧耐磨涂层中包括sp2非晶碳，sp2非晶碳可作为软质相，这有利于降低涂层应力，增强韧性，并且sp2非晶碳在摩擦过程中可提供润滑相，因而可提高涂层的耐磨特性。第二，V元素在摩擦过程中可生成具有液相润滑作用的VOx相，与sp2非晶碳耦合润滑，进一步提高涂层的耐磨特性。第三，由于立方V(C,N)相的存在，可提高所述强韧耐磨涂层的高硬度。第四，Al和Si的加入可进一步提高涂层的硬度和高温稳定性。所述强韧耐磨涂层的制备方法具有以下优点：第一，相对于现有的采用双靶共溅射而言，由于采用复合靶，操作简单易控，易于大面积均匀化沉积，更利于工业化应用。第二，采用复合靶作为固体碳源，相对于现有的采用气体碳源时可避免气体碳源对真空室的污染和气体碳源中含有的氢元素对涂层性能的负面影响。第三，由于N、C与金属原子的亲和能力差异，因而可通过调节氮气流量而实现sp2非晶碳的不同含量的调控。附图说明图1为本专利技术实施例1所述强韧耐磨涂层的扫描电镜照片。图2为图1所述强韧耐磨涂层的拉曼光谱图。图3为图1所述强韧耐磨涂层的X-射线衍射谱图。图4为图1所述强韧耐磨涂层的透射电镜照片。图5为图1所述强韧耐磨涂层的硬度和显微压入形貌示意图。图6为图1所述强韧耐磨涂层的摩擦性能测试图。具体实施方式下面将对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供一种强韧耐磨涂层。所述强韧耐磨涂层的化学式为V-X-C-N。X为Al、Si中的至少一种。即X可为Al、Si或者两者的组合。当X为Al和Si的组合时，所述Al和Si的所占比例不做限定。引入Al、Si的目的在于提高涂层的硬度和高温稳定性。所述强韧耐磨涂层中包括sp2非晶碳以及立方V(C,N)相结构。所述sp2非晶碳包裹所述立方V(C,N)相结构。当X含有Si时(即X为Si、或Al和Si的组合时)，所述强韧耐磨涂层中还包括非晶Si3N4。此时所述非晶Si3N4与sp2非晶碳复合形成复合物。该复合物包裹所述立方V(C,N)相结构。该sp2非晶碳可作为软质相，降低涂层应力，增强韧性，并且sp2非晶碳在摩擦过程中可作为润滑相，因而可提高涂层的耐磨特性。所述强韧耐磨涂层中V含量为10at.％～50at.％，X含量为5at.％～20at.％，C含量为5at.％～40at.％，N含量为20at.％～50at.％。优选的，所述强韧耐磨涂层中V含量为10at.％～50at.％，C含量为5at.％～40at.％，N含量为20at.％～50at.％。所述强韧耐磨涂层的厚度为1微米～4微米。优选为，2微米～3微米。(请补充)相较于现有技术，所述强韧耐磨涂层具有以下优点：第一，由于所述强韧耐磨涂层中包括sp2非晶碳，sp2非晶碳可作为软质相，这有利于降低涂层应力，增强韧性，并且sp2非晶碳在摩擦过程中可提供润滑相，因而可提高涂层的耐磨特性。第二，V元素在摩擦过程中可生成具有液相润滑作用的VOx相，与sp2非晶碳耦合润滑，进一步提高涂层的耐磨特性。第三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种强韧耐磨涂层，其特征在于，所述强韧耐磨涂层的化学式为V‑X‑C‑N，其中X为Al、Si中的至少一种，所述强韧耐磨涂层中包括sp2非晶碳以及立方V(C,N)相结构，所述sp2非晶碳包裹所述立方V(C,N)相结构。

【技术特征摘要】
1.一种强韧耐磨涂层，其特征在于，所述强韧耐磨涂层的化学式为V-X-C-N，其中X为Si或者Al、Si的组合，所述强韧耐磨涂层中包括非晶Si3N4、sp2非晶碳以及立方V(C,N)相结构，所述非晶Si3N4与sp2非晶碳复合形成复合物，该复合物包裹所述立方V(C,N)相结构；所述强韧耐磨涂层通过以下制备方法制得：(1)提供基底，对该基底进行清洗；(2)以复合靶为沉积靶材，N2为反应气体，在氩气和氮气的混合气氛下采用磁控溅射法在所述基底的表面沉积得到强韧耐磨涂层，其中，所述复合靶为V-Si-C或V-Al-Si-C。2.一种如权利要求1所述的强韧耐磨涂层，其特征在于，所述强韧耐磨涂层中V含量为10at.％～50at.％，X含量为5at.％～20at.％，C含量为5at.％～40at.％，N含量为20at.％～50at.％。3.一种如权利要求2所述的强韧耐磨涂层，其特征在于，所述强韧耐磨涂层中V含量为20at.％～30at.％，C含量为20at.％...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯培玲，王振玉，张栋，李晓伟，汪爱英，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33