一种具有高硬度与自润滑性的涂层及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有高硬度与自润滑性的涂层。该涂层将具有高强韧性的非晶纳米晶结构与MAX相层状结构相结合，利用MAX相层状结构具有的良好自润滑性，使涂层不仅具有高硬度，而且具有良好的自润滑性能，能够满足装备关键零部件和工模具等基体的减摩耐磨防护需求。另外，针对由纳米晶TiN、非晶Si

Coating with high hardness and self-lubricating property and preparation method thereof

The present invention provides a coating with high hardness and self-lubricating properties. The combination of the coatings with high strength and toughness of amorphous nanocrystalline structure and MAX layered structure, good self-lubricating property with MAX layer structure, the coating has high hardness, but also has good self-lubricating performance, can meet the equipment key parts and mould such as friction wear protection demand reduction matrix. In addition, for nanocrystalline TiN and amorphous Si

【技术实现步骤摘要】
一种具有高硬度与自润滑性的涂层及其制备方法
本专利技术涉及一种表面处理
，尤其涉及一种具有高硬度与自润滑性的涂层及其制备方法。
技术介绍
目前，装备制造业正朝着高速、高载、高精密和绿色加工方向发展，对装备关键部件和工模具的可靠性和长寿命也提出更高的要求。发展先进装备关键部件的表面强化和防护技术是降低装备关键部件摩擦功耗、延长服役寿命和提高工作可靠性的关键技术。利用物理气相沉积技术获得的钛基、铬基等硬质涂层可用于工模具和装备关键部件的表面防护，并获得了良好的防护效果。然而，这些体系的硬质涂层虽然硬度足够高，但是减摩效果不理想。另一方面，一些涂层的减摩自润滑性能虽然较好，但是其硬度不高，例如MoS2涂层具有良好的减摩自润滑性能，但是其硬度不高。因此，探索一种兼具高硬度与低摩擦系数的涂层是科技工作者的研究课题之一，可应用于装备关键零部件和工模具的减摩耐磨防护。
技术实现思路
针对上述技术现状，本专利技术旨在提供一种具有高硬度与自润滑性的涂层。为了实现上述技术目的，本专利技术人经过大量探索研究后，将具有高强韧性的非晶纳米晶结构与MAX相层状结构相结合，所述MAX相层状结构是指三元层状陶瓷Mn+1AXn(n＝1-6)结构，简称为MAX相，其中M是过渡族金属，A是主族元素，X是C或N元素。这些MAX相同属六方晶系，其晶体结构可以描述为M6X八面体与A原子层间隔堆垛。M-X之间主要以强共价键和离子键结合，而M-X和A原子之间的结合比较弱。这种独特的键合方式使得MAX相陶瓷一方面具有金属材料优良的可加工性及导热、导电性能；另一方面又具有陶瓷材料的抗腐蚀、抗氧化等特性；同时，独特的纳米层状结构赋予了MAX相陶瓷良好的自润滑性和一定的损伤容限。作为润滑剂，其润滑效果可与常用固体润滑剂石墨、二硫化钼等相媲美；而损伤容限则使其在常温下能承受一定形变而不致发生脆性断裂，在高温下MAX相更是具有较好的塑性。因此，当纳米晶结构与MAX相层状结构相结合，由于MAX相层状结构具有良好的自润滑性，得到的涂层不仅具有高硬度，而且具有良好的自润滑性能，能够满足装备关键零部件和工模具等基体的减摩耐磨防护需求。即，本专利技术提出的技术方案为：一种具有高硬度与自润滑性的涂层，其特征是：所述涂层中包括具有高强韧性的非晶纳米晶结构，也包括MAX相层状结构。所述的MAX相包括但不限于211相、312相、413相、514相、615相、716相、523相或者725相中的任一种或者其中几种的组合。其中，211相包括但不限于Ti2AlC、Ti2AlN、Hf2PbN、Cr2GaC、V2AsC、Ti2InN、Nb2AlC、(Nb,Ti)2AlC、Ti2AlN0.5C0.5、Nb2GaC、Nb2AsC、Zr2InN、Ti2GeC、Cr2AlC、Zr2SC、Mo2GaC、Ti2CdC、Hf2InN、Zr2SnC、Ta2AlC、Ti2SC、Ta2GaC、Sc2InC、Hf2SnN、Hf2SnC、V2AlC、Nb2SC、Ti2GaN、Ti2InC、Ti2TIC、Ti2SnC、V2PC、Hf2SC、Cr2GaN、Zr2InC、Zr2TIC、Nb2SnC、Nb2PC、Ti2GaC、V2GaN、Nb2InC、Hf2TIC、Zr2PbC、Ti2PbC、V2GaC、V2GeC、Hf2InC、Zr2TIN。312相包括但不限于Ti3AlC2、Ti3GeC2、Ti3SiC2、Ti3SnC2、Ta3AlC2、(V0.5Cr0.5)3AlC2、V3AlC2、Ta3Al0.6Sn0.4C2。413相包括但不限于Ti4SiC3、Ti4GaC3、Ti4GeC3、α-Ta4AlC3、β-Ta4AlC3、Nb4AlC3、V4AlC3、(V,Cr)4AlC3。514相包括但不限于(Nb0.5Ti0.5)5AlC4。615相包括但不限于β-Ta6AlC5。716相包括但不限于Ti7SnC6。523相包括但不限于(V0.5Cr0.5)5Al2C3、Ti5Al2C3、Ti5Si2C3、Ti5Ge2C3。725相包括但不限于Ti7Si2C5、Ti7Ge2C5。所述的具有高强韧性的非晶纳米晶结构材料不限，包括钛基非晶纳米晶或者铬基非晶纳米晶等硬质材料。作为一种实现方式，所述的具有高强韧性的非晶纳米晶结构是纳米晶TiN与非晶Si3N4构成的纳米复合结构；所述的MAX相层状结构是由Ti-Si-C三种元素构成的MAX相层状结构，包括Ti4SiC3、Ti3SiC2、Ti5Si2C3、Ti7Si2C5等中的一种或者两种以上的混合。此时，所述涂层的硬度可达30-40GPa，摩擦系数可达0.1-0.2。本专利技术人还提供了一种采用多弧离子镀物理气相沉积技术制备该涂层的方法，具体如下：(1)将待沉积涂层的基体进行表面清洗处理，然后送入真空室进行预抽真空，并且保持真空室内温度为350-450℃；所述的步骤(1)中，表面清洗处理方法不限，包括超声波振荡清洗等；作为优选，所述的步骤(1)中，真空室进行预抽真空处理后真空度低于3×10-3Pa；(2)充入惰性气体氩气，采用多弧离子镀技术清洗刻蚀所述基体表面；所述的步骤(2)中，刻蚀时采用的靶材不限，可以是纯钛靶材、钛硅靶材或者硅靶材，利用多弧离子镀技术在高偏压下轰击靶材，以达到刻蚀所述基体表面的作用；所述的步骤(2)中，作为优选，刻蚀所用偏压为900-1200V；。所述的步骤(2)中，作为优选，作为优选，所述的靶电流控制在40-50A；。所述的步骤(2)中，作为优选，所述的刻蚀时间为5-10min；所述的步骤(2)中，作为优选，刻蚀三次以上，刻蚀偏压由低到高逐渐增加，进一步优选为在每个偏压条件下刻蚀时间2-3min；(3)采用纯钛靶材，反应气体为乙炔或者氮气，利用多弧离子镀技术沉积TiC过渡层或者TiN过渡层；所述的步骤(3)中，作为优选，纯钛靶材的纯度大于或者等于99.9at.％；所述的步骤(3)中，作为优选，TiC过渡层或者TiN过渡层的厚度为100-200nm；所述的步骤(3)中，作为优选，氮气气压为0.5-5Pa，靶电流为60-80A，基体偏压为70-120V，沉积温度为350-450℃；所述的步骤(3)中，作为优选，乙炔气压为0.5-5Pa，靶电流为60-80A，基体偏压为70-120V，沉积温度为350-450℃；(4)采用TiSi靶材，反应气体为乙炔和氮气的混合气体，利用多弧离子镀技术沉积所述涂层，随炉冷却后取出；所述的钛硅靶材中，硅元素的质量百分比含量为5-15％；所述的沉积过程中，气压为0.5-5Pa，靶电流为60-80A，基体偏压为10-40V，沉积温度为400-450℃；(5)将经步骤(4)处理后的基体进行真空或保护气氛热处理，热处理温度为600-1000℃。所述的步骤(5)中，作为优选，热处理时间为1-3小时。综上所述，本专利技术将具有高强韧性的非晶纳米晶结构与MAX相层状结构相结合得到一种新型涂层结构，利用MAX相层状结构具有的良好自润滑性，使涂层不仅具有高硬度，而且具有良好的自润滑性能，能够满足装备关键零部件和工模具等基体的减摩耐磨防护需求。另外，针对由纳米晶TiN、非晶Si3N4以及Ti-Si-C三种元素的MAX相层状结构构成的涂层，本专利技术利用多弧离子镀技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高硬度与自润滑性的涂层，其特征是：所述涂层中包括具有高强韧性的非晶纳米晶结构，也包括MAX相层状结构。

【技术特征摘要】
1.一种具有高硬度与自润滑性的涂层，其特征是：所述涂层中包括具有高强韧性的非晶纳米晶结构，也包括MAX相层状结构。2.如权利要求1所述的具有高硬度与自润滑性的涂层，其特征是：所述的MAX相包括211相、312相、413相、514相、615相、716相、523相或者725相中的任一种或者其中几种的组合；作为优选，211相是Ti2AlC、Ti2AlN、Hf2PbN、Cr2GaC、V2AsC、Ti2InN、Nb2AlC、(Nb,Ti)2AlC、Ti2AlN0.5C0.5、Nb2GaC、Nb2AsC、Zr2InN、Ti2GeC、Cr2AlC、Zr2SC、Mo2GaC、Ti2CdC、Hf2InN、Zr2SnC、Ta2AlC、Ti2SC、Ta2GaC、Sc2InC、Hf2SnN、Hf2SnC、V2AlC、Nb2SC、Ti2GaN、Ti2InC、Ti2TIC、Ti2SnC、V2PC、Hf2SC、Cr2GaN、Zr2InC、Zr2TIC、Nb2SnC、Nb2PC、Ti2GaC、V2GaN、Nb2InC、Hf2TIC、Zr2PbC、Ti2PbC、V2GaC、V2GeC、Hf2InC或者Zr2TIN；作为优选，312相是Ti3AlC2、Ti3GeC2、Ti3SiC2、Ti3SnC2、Ta3AlC2、(V0.5Cr0.5)3AlC2、V3AlC2或者Ta3Al0.6Sn0.4C2；作为优选，413相是Ti4SiC3、Ti4GaC3、Ti4GeC3、α-Ta4AlC3、β-Ta4AlC3、Nb4AlC3、V4AlC3、(V,Cr)4AlC3；作为优选，514相是(Nb0.5Ti0.5)5AlC4；作为优选，615相是β-Ta6AlC5；作为优选，716相是Ti7SnC6；作为优选，523相是(V0.5Cr0.5)5Al2C3、Ti5Al2C3、Ti5Si2C3或者Ti5Ge2C3；作为优选，725相是Ti7Si2C5或者Ti7Ge2C5。3.如权利要求1所述的具有高硬度与自润滑性的涂层，其特征是：所述的非晶纳米晶结构材料是钛基非晶纳米晶材料或者铬基非晶纳米晶材料。4.如权利要求1所述的具有高硬度与自润滑性的涂层，其特征是：所述涂层中包括纳米晶TiN、非晶Si3N4，以及由Ti-Si-C三种元素构成的MAX相层状结构。5.如权利要求4所述的具有高硬度与自润滑性的涂层，其特征是：所述MAX...

【专利技术属性】
技术研发人员：李金龙，王越，王永欣，王立平，
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