一种金属陶瓷基自润滑复合薄膜及其气相沉积制备方法技术

本发明专利技术公开了一种金属陶瓷基自润滑复合薄膜及其气相沉积制备方法。该金属陶瓷基自润滑复合薄膜是通过物理气相沉积方法在基体表面沉积获得的涂层，该涂层结构由内向外依次为TiCr/CrN粘合层、周期性调制结构TiAlCrN/TiAlN过渡层、TiCrSiN表层。TiAlCrN/TiAlN过渡层中的TiAlCrN层为金属陶瓷(Ti,Al,Cr)N和金属相Cr

【技术实现步骤摘要】
一种金属陶瓷基自润滑复合薄膜及其气相沉积制备方法


[0001]本专利技术属于表面改性
，具体涉及一种金属陶瓷基自润滑复合薄膜及其气相沉积制备方法。

技术介绍

[0002]机械加工正在朝着干式、高速、绿色的方向的发展，对工模具有着越来越高的要求，表面改性技术也随之进入高速发展期。从表面改性层的厚度角度，表面改性技术分为以热喷涂、熔覆、涂覆为代表的厚膜技术，以及以物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)为代表的薄膜技术。其中PVD技术因更容易制备高硬度、抗氧化、耐腐蚀、耐高温特性的膜层，且膜层制备在密封的真空炉腔内进行，制备过程无排放、零污染，从而使得PVD技术得到了快速发展。
[0003]以PVD技术制备的二元TiN金属陶瓷涂层为代表的传统硬质涂层，虽在一定程度上提高了刀具的使用寿命，但随着现代切削加工朝着高速、干式等方向发展，传统的金属陶瓷涂层难以满足现代切削加工对于涂层性能的要求。金属陶瓷涂层虽具备高硬度、抗氧化等特点，但不具备如类金刚石涂层(Diamond
‑
likecoating，DLC)一样的自润滑特性。以往研究及工程应用表明，软质的金属相或金属键结构在应用过程中因具备自润滑性能而能够起到良好的减磨耐磨作用，故金属基固体自润滑复合涂层在摩擦磨损件表面应用广泛，但是，金属基固体自润滑复合涂层通常是以烧结、电镀、化学镀及热喷涂等形式的制备技术制备，这些方法污染大，且该涂层不宜用于精密加工切削刃具及材料成型模具。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了解决现有金属陶瓷薄膜与基体结合力弱、薄膜韧性差、耐磨性能不足等问题以及现有常规制备技术污染大的问题，本专利技术目的在于提供一种金属陶瓷基自润滑复合薄膜及其气相沉积制备方法。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]本专利技术提供一种金属陶瓷基自润滑复合薄膜，其特征在于，该复合薄膜是按照以下顺序依次沉积在基体上所形成的涂层：TiCr/CrN层、TiAlCrN/TiAlN层、TiCrSiN层。
[0007]进一步地，在本专利技术提供的金属陶瓷基自润滑复合薄膜中，还可以具有这样的特征：其中，基体为硬质合金、高速钢、不锈钢以及模具钢中的任意一种。
[0008]进一步地，在本专利技术提供的金属陶瓷基自润滑复合薄膜中，还可以具有这样的特征：其中，TiCr/CrN层由贴敷于基体表面的TiCr层以及贴敷于TiCr层表面的CrN层构成。
[0009]进一步地，在本专利技术提供的金属陶瓷基自润滑复合薄膜中，还可以具有这样的特征：其中，TiCr层厚度为0.1
‑
0.2μm，CrN层厚度为0.15
‑
0.3μm。
[0010]作为优选方案，该TiCr层厚度为0.12μm，该CrN层的厚度为0.2μm。
[0011]进一步地，在本专利技术提供的金属陶瓷基自润滑复合薄膜中，还可以具有这样的特征：其中，TiAlCrN/TiAlN层为周期性调制结构，是由TiAlCrN层和TiAlN层交替堆积而成，
TiAlN层作为模板层，TiAlCrN层作为调制层，且TiAlCrN/TiAlN层的最里层为TiAlCrN层、最外层为TiAlN层。
[0012]进一步地，在本专利技术提供的金属陶瓷基自润滑复合薄膜中，还可以具有这样的特征：其中，TiAlCrN/TiAlN层中TiAlCrN层与TiAlN层调制周期为80
‑
100nm，单层TiAlCrN层厚度为20
‑
30nm，单层TiAlN层厚度为60
‑
70nm，TiAlCrN/TiAlN层的总厚度为1.6
‑
2.0μm。
[0013]作为优选方案，TiAlCrN/TiAlN层的TiAlCrN层与TiAlN层调制周期为100nm，单层TiAlCrN层厚度为30nm，单层TiAlN层厚度为70nm，TiAlCrN/TiAlN层的总厚度为2.0μm。
[0014]进一步地，在本专利技术提供的金属陶瓷基自润滑复合薄膜中，还可以具有这样的特征：其中，TiAlCrN层为金属陶瓷(Ti,Al,Cr)N和金属相Cr
‑
Ti复合结构。
[0015]进一步地，在本专利技术提供的金属陶瓷基自润滑复合薄膜中，还可以具有这样的特征：其中，TiCrSiN层的内部结构为非晶陶瓷Si3N4包覆金属陶瓷(Ti,Cr)N。
[0016]进一步地，在本专利技术提供的金属陶瓷基自润滑复合薄膜中，还可以具有这样的特征：其中，TiCrSiN层的厚度为0.8
‑
1.0μm。
[0017]作为优选方案，该TiCrSiN层的厚度为1.0μm。
[0018]本专利技术还提供一种上述金属陶瓷基自润滑复合薄膜的气相沉积制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0019]1)制备TiCr/CrN层:
[0020]首先，在基体表面沉积TiCr层(该工序优选在惰性气体氛围中操作)；
[0021]然后，在氮气氛围中，在TiCr层表面沉积CrN层；
[0022]2)制备TiAlCrN/TiAlN层:
[0023]在氮气氛围中，在CrN层表面沉积TiAlCrN层；然后，在TiAlCrN层表面沉积TiAlN层；交替重复多次沉积TiAlCrN层和沉积TiAlN层步骤，镀制完成整个TiAlCrN/TiAlN层；
[0024]3)制备TiCrSiN层：
[0025]在氮气氛围中，在TiAlCrN/TiAlN层表面沉积TiCrSiN层。
[0026]进一步地，在本专利技术提供的制备方法中，还可以具有这样的特征：TiCr层沉积过程中，温度为400
‑
450℃，真空度为1.8
‑
2.5Pa，负偏压为250
‑
300V，TiCr靶电流为130
‑
150A；
[0027]进一步地，在本专利技术提供的制备方法中，还可以具有这样的特征：CrN层沉积过程中，温度为400
‑
450℃，真空度为2.2
‑
2.8Pa，负偏压为150
‑
200V，Cr靶电流为120
‑
140A，N2流量为100
‑
120sccm。
[0028]进一步地，在本专利技术提供的制备方法中，还可以具有这样的特征：TiAlCrN层沉积过程中，温度为400
‑
450℃，真空度为2.2
‑
2.8Pa，负偏压为80
‑
100V，TiCr靶/Cr靶电流比为1.2
‑
1.5，TiCr靶电流为80
‑
100A，N2流量为80
‑
100sccm。
[0029]进一步地，在本专利技术提供的制备方法中，还可以具有这样的特征：TiAlN层沉积过程中，温度为400
‑
450℃，真空度为1.5
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种金属陶瓷基自润滑复合薄膜，其特征在于，该复合薄膜是按照以下顺序依次形成在基体上所形成的涂层：TiCr/CrN层、TiAlCrN/TiAlN层、TiCrSiN层。2.根据权利要求1所述的金属陶瓷基自润滑复合薄膜，其特征在于：其中，所述TiCr/CrN层由贴敷于所述基体表面的TiCr层以及贴敷于所述TiCr层表面的CrN层构成。3.根据权利要求2所述的金属陶瓷基自润滑复合薄膜，其特征在于：其中，所述TiCr层厚度为0.1
‑
0.2μm，CrN层厚度为0.15
‑
0.3μm。4.根据权利要求1所述的金属陶瓷基自润滑复合薄膜，其特征在于：其中，所述TiAlCrN/TiAlN层为周期性调制结构，是由TiAlCrN层和TiAlN层交替堆积而成，所述TiAlN层作为模板层，所述TiAlCrN层作为调制层，且所述TiAlCrN/TiAlN层的最里层为TiAlCrN层、最外层为TiAlN层。5.根据权利要求4所述的金属陶瓷基自润滑复合薄膜，其特征在于：其中，所述TiAlCrN/TiAlN层中TiAlCrN层与TiAlN层调制周期为80
‑
100nm，单层所述TiAlCrN层厚度为20
‑
30nm，单层所述TiAlN层厚度为60
‑
70nm，所述TiAlCrN/TiAlN层的总厚度为1.6
‑
2.0μm。6.根据权利要求4或5所述的金属陶瓷基自润滑复合薄膜，其特征在于：其中，所述TiAlCrN层为金属陶瓷(Ti,Al,Cr)N和金属相Cr
‑
Ti复合结构。7.根据权利要求1所述的金属陶瓷基自润滑复合薄膜，其特征在于：其中，所述TiCrSiN层的内部结构为非晶陶瓷Si3N4包覆金属陶瓷(Ti,Cr)N。8.根据权利要求7所述的金属陶瓷基自润滑复合薄膜，其特征在于：其中，所述TiCrSiN层的厚度为0.8
‑
1.0μm。9.如权利要求1～8中任意一项所述的金属陶瓷基自润滑复合薄膜的气相沉积制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)制备TiCr/CrN层:首先，在基体表面沉积TiCr层；然后，在氮气氛围中，在TiCr层表面沉积CrN层；2)制备TiAlCrN/TiAlN层:...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈强，张而耕，梁丹丹，周琼，黄彪，徐海潜，
申请(专利权)人：上海应用技术大学，
类型：发明
国别省市：