一种TiCN涂层及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种TiCN涂层及其制备方法与应用，该TiCN涂层的组元含量Ti/(Ti+C+N)原子比为35％～65％，C/(C+N)原子比为20％～70％；TiCN涂层的磨损率为1

【技术实现步骤摘要】
一种TiCN涂层及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于材料领域，具体涉及一种TiCN涂层及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]我国作为制造业大国，在金属切削加工行业每年需消耗大量切削刀具。当前，高效、高速、高精度切削加工成为金属加工的主要发展方向，其对切削刀具的性能相应也提出了更高的要求。对刀具进行涂层处理可以提高刀具的机械效率及使用寿命，是提高刀具性能的重要途径之一，使得涂层技术已和刀具材料、刀具设计与制造一起成为切削刀具的三大关键技术。在现代高速干式切削加工中，涂层刀具在高速干式切削过程中需要承受很高的温升，由于刀具和被加工材料表面发生剧烈摩擦，使得局部切削温度高达1000℃以上，优异的高温稳定性能是实现涂层刀具高速切削加工的关键。因此，面向现代高速切削加工的硬质刀具涂层在高温服役环境下应具有高热稳定性、高硬度以及优异耐磨减摩性能。
[0003]当前硬质涂层正朝着多组元、纳米复合、多层化方向发展。近年来，TiN是金属材料加工传统刀具涂层材料。研究发现，在高温服役环境下，TiN涂层存在以下问题：1)室温下涂层硬度仅为24～28GPa；2)氧化起始温度仅为450～500℃，且高温下涂层力学性能较差；3)涂层高温摩擦系数较大，易导致刀具产生切削力大、颤振及磨损严重等；4)在TiN发生高温氧化的过程中，Ti组元发生快速外扩散，生成强度低、疏松多孔的氧化层。上述TiN涂层在服役环境下出现的力学性能不足及下降、摩擦系数大、形成微孔及微裂纹严重损害了TiN涂层的服役性能。如何进一步提高TiN涂层的抗高温氧化、高温力学以及高温摩擦磨损(耐磨减摩)性能，对促进涂层刀具及金属加工行业的发展具有重要的理论意义和实际应用价值。
[0004]TiCN涂层综合了TiN和TiC涂层的优点，与TiN涂层相比，显微硬度明显提高，同时其韧性比TiC涂层好，具有良好的减摩性能，大量应用在丝锥、钻头和铣刀上，特别适合铝合金等有色金属及合金的加工。传统制备TiCN纳米结构涂层的方法有：磁控溅射Ti2CN靶材或共溅射TiC、TiN靶材，但是该方法调节C含量不便，难以优化调节TiCN纳米结构涂层其力学及摩擦学性能；而且阴极电弧蒸发Ti金属靶材，于N2、CH4、Ar混合气氛中沉积TiCN纳米结构涂层，该方法易于在涂层中引入H，涂层表现为力学性能不高且脆。因此有必要开发一种能调节TiCN涂层中的C、N含量的制备方法。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术不易调节TiCN涂层中C、N含量的技术问题，本专利技术的目的之一在于提供一种TiCN涂层；本专利技术的目的之二在于提供这种TiCN涂层的制备方法；本专利技术的目的之三在于提供这种TiCN涂层的应用。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：
[0007]本专利技术构思：在TiN涂层中添加C元素制备TiCN纳米结构涂层，可使得涂层兼具高硬度、强韧性、耐磨减摩特性，条件是形成的涂层C、N含量可控且无H引入，即如何实现涂层成分与结构的可控调节。基于复合沉积镀膜技术，采用磁控溅射TiC及Ti靶材，共溅射沉积
制备TiCN涂层；或同时采用磁控溅射TiC靶材及阴极电弧蒸发Ti靶材，复合沉积制备TiCN涂层，可得到强膜基结合、高硬度、耐磨减摩的TiCN涂层。
[0008]本专利技术第一方面提供一种TiCN涂层，所述TiCN涂层的组元含量Ti/(Ti+C+N)原子比为35％～65％，C/(C+N)原子比为20％～70％；所述TiCN涂层的磨损率为1
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·
m)
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m3/(N
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m)。
[0009]优选的，所述TiCN涂层的C/(C+N)原子比为30％～70％；进一步优选的，所述TiCN涂层的C/(C+N)原子比为40％～70％。
[0010]优选的，所述TiCN涂层的磨损率为1*10
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m3/(N
·
m)
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10*10
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m3/(N
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m)；进一步优选的，所述TiCN涂层的磨损率为2*10
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m3/(N
·
m)
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5*10
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16
m3/(N
·
m)。
[0011]优选的，所述TiCN涂层的硬度为15GPa
‑
40GPa；所述TiCN涂层的弹性模量为250GPa
‑
500GPa；所述TiCN涂层的摩擦系数为0.2
‑
0.7。
[0012]进一步优选的，所述TiCN涂层的硬度为20GPa
‑
40GPa；再进一步优选的，所述TiCN涂层的硬度为25GPa
‑
35GPa。
[0013]进一步优选的，所述TiCN涂层的弹性模量为300GPa
‑
500GPa；再进一步优选的，所述TiCN涂层的弹性模量为350GPa
‑
450GPa。
[0014]进一步优选的，所述TiCN涂层的摩擦系数为0.2
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0.6；再进一步优选的，所述TiCN涂层的摩擦系数为0.2
‑
0.5。
[0015]本专利技术第二方面提供根据本专利技术第一方面所述TiCN涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0016]在氮气气氛中，同时磁控溅射TiC靶材和Ti靶材，在基体材料表面共溅射沉积制备TiCN涂层；
[0017]或在氮气气氛中，同时磁控溅射TiC靶材和阴极电弧蒸发Ti靶材，在基体材料表面复合沉积制备TiCN涂层。
[0018]优选的，所述同时磁控溅射TiC靶材和Ti靶材，TiC靶材的平均溅射功率为1W/cm2～15W/cm2；进一步优选的，所述同时磁控溅射TiC靶材和Ti靶材，TiC靶材的平均溅射功率为2W/cm2～10W/cm2。
[0019]优选的，所述同时磁控溅射TiC靶材和Ti靶材，Ti靶平均溅射功率为1W/cm2～30W/cm2；进一步优选的，所述同时磁控溅射TiC靶材和Ti靶材，所述Ti靶平均溅射功率为2W/cm2～20W/cm2。
[0020]优选的，所述同时磁控溅射TiC靶材和阴极电弧蒸发Ti靶材，TiC靶材的平均溅射功率为1W/cm2～15W/cm2；进一步优选的，所述同时采用磁控溅射TiC靶材和阴极电弧蒸发Ti靶材，TiC靶平均溅射功率为2W/cm2～10W/cm2。
[0021]优选的，所述同时磁控溅射TiC靶材和阴极电弧蒸发Ti靶材，Ti靶材的平均电流密度为0.25A/cm2～5A/cm2；进一步优选的，Ti靶材的平均电流密度为0.5A/cm2～3A/cm2。
[0022]优选的，所述共溅射沉积的氮气压力为0.2Pa～1.2Pa；进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TiCN涂层，其特征在于：所述TiCN涂层的组元含量Ti/(Ti+C+N)原子比为35％～65％，C/(C+N)原子比为20％～70％；所述TiCN涂层的磨损率为1
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m)。2.根据权利要求1所述的TiCN涂层，其特征在于：所述TiCN涂层的硬度为15GPa
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40GPa；所述TiCN涂层的弹性模量为250GPa
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500GPa；所述TiCN涂层的摩擦系数为0.2
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0.7。3.权利要求1或2所述TiCN涂层的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：在氮气气氛中，同时磁控溅射TiC靶材和Ti靶材，在基体材料表面共溅射沉积制备TiCN涂层；或在氮气气氛中，同时磁控溅射TiC靶材和阴极电弧蒸发Ti靶材，在基体材料表面复合沉积制备TiCN涂层。4.根据权利要求3所述的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴正涛，丁文博，叶榕礼，王启民，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：