一种自润滑超硬涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自润滑超硬涂层及其制备方法，属于涂层技术领域，该涂层包括包括设置在工具基体表面的四层结构，四层结构从内到外依次是Cr结合层、CrN过渡层、AlCrN支撑层和AlCrN/Mo

【技术实现步骤摘要】
一种自润滑超硬涂层及其制备方法
本专利技术属于涂层
，涉及一种自润滑超硬涂层，还涉及一种自润滑超硬涂层的制备方法。
技术介绍
AlCrN涂层具有高硬度，高抗氧化性，常被用作工模涂层和应用于其他摩擦磨损工况，AlCrN涂层与TiAlN涂层相比，其优势在于面心立方结构的CrN晶格可容纳更多的Al原子而不产生增加涂层脆性的密排六方结构的AlN相，Al元素的原子百分比越高，越有利于涂层抗氧化性的提高。但是，AlCrN涂层的缺点在于，其摩擦系数较高，因此，在加工铝合金时效果较差，此外，由于AlCrN涂层的硬度约为20~30GPa，在加工高温合金时无法满足耐磨性要求。Mo具有减摩润滑作用，即在摩擦磨损过程中，涂层中的Mo与环境中的O2或水反应，形成一层具有低剪切模量、自润滑效应的MoO3，降低了摩擦系数。中国专利申请（申请号：201510290433.X）公布了一种Mo-S-N-Cr自润滑涂层刀具，未提及涂层表面硬度。根据涂层摩擦磨损机制，在摩擦磨损初期，摩擦磨损界面无法达到形成MoO3的温度，导致涂层大面积磨损；中国专利申请（申请号为202010146925.2）公开了一种硬质合金铣刀的AlCrNbSiTiBC高温自润滑复合涂层及其制备方法，该方法中采用电弧离子镀方法沉积纯AlCrN膜作为结合层，随后在结合层基础上制备AlCrN/AlCrNbSiTiBN超硬高熵合金纳米多层膜加硬层，最后在加硬层的基础上制备AlCrNbSiTiBC高温自润滑层。以AlCrN膜作为结合层，但是AlCrN膜与基体材料之间的热膨胀系数差别大、化学亲和性低，镀膜后的冷却过程中易在基体和AlCrN膜之间产生残余应力集中，导致结合强度下降甚至涂层剥落；使用电弧离子镀方法沉积制备AlCrN/AlCrNbSiTiBN超硬高熵合金纳米多层膜加硬层，此制备方法难以获得低调制周期，由纳米多层结构对涂层强化的理论可知，低调制周期更有利于涂层硬度的提升；使用AlCrNbSiTiBC涂层作为最外层自润滑涂层，根据摩擦磨损理论，含C涂层可在低温下分解出游离石墨相，降低摩擦系数，但是当摩擦界面温度升高时，石墨相会与空气中的氧气发生反应，从而失去自润滑效果。中国专利申请（申请号为2014102389705）公开了一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层及其制备方法，涂层分三层：CrN层、AlCrN层和AlCrTiSiN层。同样的问题，CrN与Cr相比，Cr结合层与基体之间热膨胀系数差别小、化学亲和性高。AlCrTiSiN涂层的低温和高温自润滑性均较低。中国专利申请（申请号为201910953276.4）公开了一种自润滑挤压丝锥，挤压丝锥的涂层结构由基体向外依次为Cr-CrN过渡层、AlCrN涂层、CrN-Cr过渡层、高Cr含量WS2/Cr复合涂层、低Cr含量WS2/Cr复合涂层和WS2涂层。其中WS2/Cr复合涂层和WS2涂层的硬度、高温稳定性和高温自润滑性都较低。中国专利申请（申请号2018112237923）公开了一种种冷作模具钢表面制备AlCrCN涂层的方法，涂层为AlCrCN涂层，可涂覆在冷作模具钢表面，不适合在高温和高速摩擦工况下使用，而且，此涂层的硬度较低。中国专利申请（申请号为2013101410422）公开了一种陶瓷相纳米晶复合涂层注塑机螺杆制备工艺，设置的自润滑层为AlCrN渗DLC膜层，其涂层的硬度、高温稳定性和高温自润滑性都较低。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供一种自润滑超硬涂层及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。本专利技术采取的技术方案为：一种自润滑超硬涂层，包括设置在工具基体表面的四层结构，四层结构从内到外依次是Cr结合层、CrN过渡层、AlCrN支撑层和AlCrN/MoxC自润滑耐磨层。其中，上述Cr结合层的厚度为100~200nm，CrN过渡层的厚度为100~200nm，AlCrN支撑层的厚度为150~300nm，AlCrN/MoxC自润滑耐磨层的厚度为1000~4000nm。其中，上述工具基体为硬质合金刀具、高速钢刀具、硬质合金模具或高速钢模具。其中，上述Cr结合层和CrN过渡层是通过离子蒸镀获得，AlCrN支撑层和AlCrN/MoxC自润滑耐磨层是通过双极高能脉冲磁控溅射获得。其中，上述AlCrN支撑层和AlCrN/MoxC自润滑耐磨层中铝和铬的原子比例关系为：AlxCry，x=50~70，y=30~50，x+y=100。其中，上述AlCrN/MoxC自润滑耐磨层中Mo和C的原子比例关系为：MoxCy，x=30~50，y=50~70，x+y=100。其中，上述AlCrN/MoxC自润滑耐磨层是由纳米级AlCrN单层和MoxC单层交替叠加而成。其中，上述AlCrN单层和MoxC单层的厚度之和（调制周期）为5～10nm。其中，上述一种自润滑超硬涂层的硬度为35GPa~48GPa。一种自润滑超硬涂层的制备方法，该方法包括如下步骤：a、工具基体前处理和加热；b、等离子清洗；c、用离子蒸镀沉积得到Cr结合层；d、再用离子蒸镀沉积得到CrN过渡层；e、用双极高能脉冲磁控溅射沉积得到AlCrN支撑层；f、再用双极高能脉冲磁控溅射沉积得到AlCrN/MoxC自润滑耐磨层。其中，上述步骤a中工具基体前处理和加热的方法为：对工具基体表面进行除油处理，去除表面层油污，喷砂处理，去除表面毛刺和氧化物，随后在酒精溶液中脱水处理，经干燥之后立即装炉，并抽真空至≤3.0×10－4Pa；然后向镀膜室内通入氩气，并控制压强在2.0~3.0×10－1Pa，控制工具基体在炉内的转速为2~5rpm，开启热阴极离子柱弧使其电流为140～180A，利用产生的电子轰击刀具基体进行加热，同时开启加热丝，加热丝设置温度为400~600℃，加热时间为30~60min。其中，上述步骤b中等离子清洗的方法为：调节氩气流量，控制室内压强为1~3×10-1Pa，对基体施加直流偏压-200~-300V和脉冲偏压-300~-500V，利用等离子区离化的氩离子对刀具基体进行刻蚀清洗，清洗时间30~60min。其中，上述步骤c中用离子蒸镀沉积得到Cr结合层的方法为：调节氩气流量，控制工作压强为1.0~1.5×10-1Pa，并将热阴极离子柱弧的电流调至180~230A，对坩埚进行加热，使坩埚内的Cr金属蒸发，蒸发镀制时间为5~10min。其中，上述步骤d中用离子蒸镀沉积得到CrN过渡层的方法为：对基体施加直流偏压-100~-200V，控制氩气流量为40～60sccm，然后以每分钟增加10~15sccm的速度增加氮气流量，氮气最终流量为100~150sccm，沉积CrN过渡层的时间为5~10min。其中，上述步骤e中用双极高能脉冲磁控溅射沉积得到AlCrN支撑层的方法为：将热阴极离子柱弧的电流调至100~150A，调节氮气和氩气流量，调节工作压强为3.0~4.5×10-1Pa，基体偏压为-50~本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自润滑超硬涂层，其特征在于：包括设置在工具基体表面的四层结构，四层结构包括从内到外的Cr结合层（2）、CrN过渡层（3）、AlCrN支撑层（4）和AlCrN/Mo

【技术特征摘要】
1.一种自润滑超硬涂层，其特征在于：包括设置在工具基体表面的四层结构，四层结构包括从内到外的Cr结合层（2）、CrN过渡层（3）、AlCrN支撑层（4）和AlCrN/MoxC自润滑耐磨层（5）。


2.根据权利要求1所述的一种自润滑超硬涂层，其特征在于：Cr结合层（2）的厚度为100~200nm、CrN过渡层（3）的厚度为100~200nm、AlCrN支撑层（4）的厚度为150~300nm、AlCrN/MoxC自润滑耐磨层（5）的厚度为1000~4000nm。


3.根据权利要求1所述的一种自润滑超硬涂层，其特征在于：AlCrN支撑层（4）和AlCrN/MoxC自润滑耐磨层（5）中铝和铬的原子比例关系为：AlxCry，x=50~70，y=30~50，x+y=100。


4.根据权利要求1所述的一种自润滑超硬涂层，其特征在于：AlCrN/MoxC自润滑耐磨层（5）中Mo和C的原子比例关系为：MoxCy，x=30~50，y=50~70，x+y=100。


5.根据权利要求1所述的一种自润滑超硬涂层，其特征在于：AlCrN/MoxC自润滑耐磨层（5）是由纳米级AlCrN单层和MoxC单层交替叠加而成。


6.根据权利要求1-5任一所述的一种自润滑超硬涂层的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
a、工具基体（1）前处理和加热；
b、使用等离子清洗工具基体（1）；
c、用离子蒸镀在工具基体（1）表面沉积Cr结合层（2）；
d、再用离子蒸镀在Cr结合层（2）表面沉积CrN过渡层（3）；
e、用双极高能脉冲磁控溅射在CrN过渡层（3）表面沉积AlCrN支撑层（4）；
f、再用双极高能脉冲磁控溅射在AlCrN支撑层（4）表面沉积AlCrN/MoxC自润滑耐磨层（5）。

【专利技术属性】
技术研发人员：杜昊，张泽，戴厚富，
申请(专利权)人：贵州大学，
类型：发明
国别省市：贵州;52