一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层及其制备方法技术

本发明专利技术一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，在基体上通过多靶磁控溅射方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层，CrAlN/WS2纳米多层涂层的总厚度2.0‑4.5μm，每一CrAlN纳米层厚度5.0nm，每一WS2纳米层厚度0.4‑1.2nm。还提供了上述纳米涂层的制备方法，将清洗后的基体置入多靶磁控溅射仪中，在氩、氮混合气氛中交替停留在CrAl合金靶和WS2靶之前，通过调整CrAl靶和WS2靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得CrAlN/WS2纳米多层涂层，本发明专利技术的方法具有工艺简单、沉积速度快、成本低、生产效率高等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料学领域，涉及一种硬质保护涂层，具体来说是一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层及其制备方法。
技术介绍
机械制造业的飞速发展，对材料的表面性能提出了越来越高的要求，不仅要求其具有较高的硬度、耐腐蚀性能，更要求其具有较高的耐摩擦磨损性能，以满足越来越苛刻的工程服役环境。超硬薄膜能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度增加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、模具工业、航空航天等领域。多年来，三元氮化物由于具有高的硬度、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，如TiAlN、CrAlN、ZrAlN和TiSiN等，已经在提高零件的使用性能和寿命上取得了较好的效果。然而，随着目前材料服役环境的愈发恶劣，对涂层材料的硬度、耐摩擦磨损性能等性能提出了更高的要求。传统的单层涂层已逐渐不能满足恶劣服役条件的要求，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，纳米多层涂层成为硬质涂层材料的重要发展方向。所谓多层涂层是由两种或两种以上成分或结构不同的材料在垂直于涂层表面方向上相互交替生长而形成的二维多层材料，对于两种不同结构或组成的多层涂层，每相邻两层形成一个基本单元，其厚度称为调制周期，通常将调制周期小于100nm的多层涂层成为纳米多层涂层，研究表明，当调制周期为特定的厚度时，纳米多层涂层将呈现硬度异常升高的“超硬效应”，使纳米多层涂层具有高的力学性能。另外，作为一种二维复合材料，纳米多层涂层可以充分利用每种材料的优点，使其的综合性能得到提升。因此，纳米多层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，纳米多层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ZrO2/TiN、Ti/TiCrN、AlTiCrN/YN等。通过查询，检索到如下有关制备纳米多层涂层的中国专利：申请号为200610029133.7的专利涉及了一种ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层,属于陶瓷涂层领域。本专利技术由ZrO2层和TiN层交替沉积在硬质合金、陶瓷或金属基底上形成，ZrO2层的厚度为2-8nm，TiN层厚为0.4-1.2nm，涂层总厚度为2-5mm。本专利技术的ZrO2/TIN纳米多层涂层采用在氩气氛中的双靶溅射技术在抛光的金属或陶瓷基体表面交替沉积ZrO2层和TiN层得到。本专利技术所得的ZrO2/TiN纳米多层涂层不但具有优异的高温抗氧化性，而且具有19.1GPa至23GPa的硬度。本专利技术作为高速切削刀具及其它在高温条件下服役耐磨、耐腐蚀工件的涂层，具有很高的应用价值和推广的可能性。申请号为201110082001.1的专利涉及了一种Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具及其制备工艺。所述Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层,刀具基体材料为硬质合金或高速钢,刀具基体表面为ZrN高硬度涂层,刀具基体与ZrN高硬度涂层之间有Ti过渡层,在Ti过渡层与表面ZrN高硬度涂层之间为Zr和ZrN交替的多层结构。具体工艺包括前处理、离子清洗、沉积Ti过渡层、反复沉积Zr层和ZrN层、沉积表面ZrN层的步骤。Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具含有高硬度ZrN涂层和韧性金属Zr,可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与基体间的结合强度,从而提高涂层的耐磨性;该制备工艺容易掌握,生产过程稳定可靠。申请号为201310129525.0的专利涉及了一种纳米多层涂层，其特征在于该涂层至少包括沉积层，该沉积层由所包含的TiAlSiN亚层和CrAlN亚层交替沉积形成，并且，所述的TiAlSiN亚层中Si的原子含量为2-12%，所述的CrAlN亚层含有B1结构的纳米晶CrAlN显微组织。本专利技术还公开了该纳米多层涂层的制备方法。与现有技术相比，本专利技术得到纳米多层涂层具有高硬度、高韧性、高热稳定性和高抗氧化性的优点。申请号为201410033860.5专利涉及一种AlTiCrN/YN纳米多层硬质涂层及其制备方法。所述AlTiCrN/YN纳米多层硬质涂层制备方法包括清洗、加热、刻蚀清洗、制备Ti或Cr粘附层和制备AlTiCrN/YN耐磨层。由于提供的制备方法不仅采用蒸发镀膜方法在刀具基体上沉积一层Ti或Cr粘结层，且还在其上采用中频反应磁控溅射技术周期交替沉积了AlTiCrN和YN层，因而使所制备的AlTiCrN/YN纳米多层硬质涂层组织为非柱状晶结构，组织致密，晶粒细小，不仅与刀具基体结合牢固，而且涂层具有较高的硬度和优良的抗高温氧化性能，特别适合制作用于高速干式切削不锈钢、铁基高温合金、高强结构钢和耐磨铸钢刀具的涂层，且涂层工艺简单，易于实施，更适合于工业化生产。申请号为200910055595.X的专利涉及一种TiC/Si3N4纳米多层涂层及其制备方法。其特征在于该涂层属于陶瓷涂层领域。TiC/Si3N4高硬度纳米多层涂层由TiC层和Si3N4层交替沉积在金属、硬质合金或陶瓷基底上形成，TiC层的厚度为2-8nm，Si3N4层厚为0.2-0.8nm。本专利技术涂层制备如下：首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷的基体上采用双靶射频溅射方法交替沉积TiC层和Si3N4层，制取TiC/Si3N4纳米多层涂层，其中TiC采用TiC靶直接溅射得到，而Si3N4采用直接溅射Si3N4化合物靶材提供。本专利技术所得的TiC/Si3N4纳米多层涂层不但具有优良的高温抗氧化性，而且具有高于40GPa的硬度。本专利技术作为高速切削刀具尤其是高速切削的铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。申请号为201410053656.X的专利涉及了与工具表面结合牢固的AlTiCrN/MoN纳米多层涂层及其制备方法。其体征在于属于表面工程
该多层涂层在工具表面上由内而外一共有四层，依次是Ti结合层（2）、TiN梯度结构层（3）、AlTiCrN支撑层（4）和AlTiCrN/MoN功能层（5）；是通过工具基体（1）前处理和加热；等离子清洗；蒸镀Ti结合层（2）；蒸镀TiN梯度结构层（3）；溅射沉积AlTiCrN支撑层（4）和AlTiCrN/MoN功能层（5）得到的。本专利技术的AlTiCrN/MoN纳米多层涂层与工具表面结合良好，同时具有良好的耐磨性，方法可控性好，易于实施，具有很好的工业应用前景。然而，上述现有的涂层仍存在着硬度、摩擦磨损性能、沉积效率以及成本无法兼顾的问题，具有硬度和抗摩擦磨损性能有待提升、生产效率和成本较高等一系列缺点。
技术实现思路
针对现有技术中的上述技术问题，本专利技术提供了一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层及其制备方法，所述的这种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层及其制备方法要解决现有技术中的涂层在硬度、摩擦磨损性能、沉积效率以及成本无法兼顾的技术问题。本专利技术提供了一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层；所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。进一步的，所述的纳米涂层的总厚度为2.0-4.5μ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，其特征在于：在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层；所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，其特征在于：在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层；所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。2.如权利要求1所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，其特征在于：所述的纳米涂层的总厚度为2.0-4.5μm，每一CrAlN纳米层的厚度为5.0nm，每一WS2纳米层的厚度为0.4-1.2nm。3.如权利要求2所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，其特征在于：所述WS2纳米层厚度小于0.8nm时，WS2纳米层为面心立方结构。4.权利要求1所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：1）一个清洗基体的步骤；将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水以80-100W分别进行超声波清洗10~20min；将超声波清洗后的基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用功率为80-100W的射频电源对基体进行离子轰击，进行离子清洗；2）一个交替...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，刘京京，刘平，张柯，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