纳米多层复合涂层及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种纳米多层复合涂层及其制备方法和应用。该纳米多层复合涂层包括依次层叠设置的若干铬氮化物涂层；每一层所述铬氮化物涂层分别独立包含Cr元素和N元素，且每一层所述铬氮化物涂层中N元素的含量呈逐层梯度递增。通过改变铬氮化物涂层的化学成分，以及多层复合，降低铬氮化物涂层内应力，使其内部结构更为致密，表面更光滑，使纳米多层复合涂层兼具高硬度、高韧性和优异的耐磨性，可广泛的应用于器件或样件表面的防护领域，尤其适用于刀具，模具和金属零部件表面，能够提高这些产品的性能和使用寿命。品的性能和使用寿命。品的性能和使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
纳米多层复合涂层及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及氮化物涂层
，特别是涉及一种纳米多层复合涂层及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]自20世纪30年代真空镀膜技术初现以来，真空镀膜技术正以飞速的速度向前发展着，真空镀膜技术是在基体材料表面提供一层耐磨、耐腐蚀、高硬度等功能涂层的一种镀膜技术。根据材料的不同应用环境，可针对性的制备不同的表面涂层，这些表面涂层大大的增强了材料的物理化学性能和使用寿命，提高了材料的服役稳定性，使材料能在更恶劣的环境下更长时间的使用。
[0003]其中，铬
‑
氮化铬涂层因其优异的物理化学性能而被广泛应用。具体地，铬涂层因其良好的硬度、结合力高、跟其他材料相融性好等性能被广泛用于表面功能涂层的过渡层。而氮化铬涂层作为表面功能涂层因其韧性好、硬度高、耐磨、耐蚀、低黏性、结合强度高、低内应力、600℃抗氧化温度等性能而被广泛应用于刀具、模具、汽车零部件和航空航天等领域，意在提高刀具、模具及零部件的服役性能和使用寿命。
[0004]磁控溅射广泛应用于制备氮化铬涂层，为了提高氮化铬薄膜和基体之间的结合力，人们常在沉积氮化铬之间先沉积铬过渡层，因为金属铬层能吸收塑性形变，且跟基体材料相容性好，可以显著降低氮化铬涂层的应力，提高涂层与基体的结合力，以及可以制备更厚的氮化铬薄膜而不至于脱落。但由于铬层较软，Cr/CrN涂层的整体硬度难以提高。同时，涂层的硬度和韧性大部分时候是此消彼长的，材料硬度的提升，往往会带来材料韧性的下降。当涂层韧性较差时，在承受负荷外的冲击时会大大降低甚至丧失防护效果。

技术实现思路

[0005]基于此，本专利技术的目的在于提供一种兼具高硬度和高韧性的纳米多层复合涂层。
[0006]技术方案如下：
[0007]一种纳米多层复合涂层，包括依次层叠设置的若干铬氮化物涂层；
[0008]每一层所述铬氮化物涂层分别独立包含Cr元素和N元素，且每一层所述铬氮化物涂层中N元素的含量呈逐层梯度递增。
[0009]在其中一个实施例中，所述铬氮化物涂层的层数为2～20。
[0010]在其中一个实施例中，所述铬氮化物涂层的层数为2～10。
[0011]在其中一个实施例中，每一层所述铬氮化物涂层中N元素百分比为5％～60％。
[0012]在其中一个实施例中，每一层所述铬氮化物涂层的厚度分别独立为100nm～2000nm。
[0013]在其中一个实施例中，所述铬氮化物涂层的层数为2，按照第一铬氮化物涂层和第二铬氮化物涂层的顺序依次层叠设置；
[0014]在所述第一铬氮化物涂层中，N元素百分比为5％～30％；
[0015]在所述第二铬氮化物涂层中，N元素百分比为30％～60％。
[0016]在其中一个实施例中，对于铬氮化物涂层的层数为2的纳米多层复合涂层，其第一铬氮化物涂层的厚度为100nm～2000nm；和/或
[0017]其第二铬氮化物涂层的厚度为100nm～2000nm。
[0018]在其中一个实施例中，所述铬氮化物涂层的层数为5，按照第一铬氮化物涂层、第二铬氮化物涂层、第三铬氮化物涂层、第四铬氮化物涂层和第五铬氮化物涂层的顺序依次层叠设置；
[0019]在所述第一铬氮化物涂层中，N元素百分比为5％～20％；
[0020]在所述第二铬氮化物涂层中，N元素百分比为20％～30％；
[0021]在所述第三铬氮化物涂层中，N元素百分比为30％～40％；
[0022]在所述第四铬氮化物涂层中，N元素百分比为40％～45％；
[0023]在所述第五铬氮化物涂层中，N元素百分比为45％～60％。
[0024]在其中一个实施例中，对于铬氮化物涂层的层数为5的纳米多层复合涂层，其第一铬氮化物涂层的厚度为100nm～2000nm；和/或
[0025]其第二铬氮化物涂层的厚度为100nm～2000nm；和/或
[0026]其第三铬氮化物涂层的厚度为100nm～2000nm；和/或
[0027]其第四铬氮化物涂层的厚度为100nm～2000nm；和/或
[0028]其第五铬氮化物涂层的厚度为100nm～2000nm。
[0029]在其中一个实施例中，所述的纳米多层复合涂层还包括铬过渡层，所述铬过渡层靠近N元素的含量最低的铬氮化物涂层。
[0030]在其中一个实施例中，所述铬过渡层的厚度为50nm～2000nm。
[0031]本专利技术还提供一种如上所述的纳米多层复合涂层的制备方法，包括如下步骤：
[0032]提供基体；
[0033]以金属铬为靶材，氩气为工作气体，氮气为反应气体，在所述基体上施加负偏压，通过真空镀膜在所述基体的表面依次沉积形成呈层叠设置的若干铬氮化物涂层；
[0034]且在真空镀膜过程中，控制所述氮气和氩气的流量比呈梯度递增，使每一层铬氮化物涂层中N元素的含量呈逐层梯度递增。
[0035]在其中一个实施例中，在沉积过程中，控制氮气氩气流量比分N阶段发生变化，第n(n为整数且1≤n＜N)阶段的初始氮气氩气流量比称为n梯度流量比，并且在n阶段保持n梯度流量比一定时间，然后升高至第n阶段的终止流量比，第n阶段的终止流量比等于n+1梯度流量比。
[0036]在其中一个实施例中，2≤N≤20；进一步优选地，2≤N≤10。
[0037]在其中一个实施例中，所述铬氮化物涂层的层数为2，按照第一铬氮化物涂层和第二铬氮化物涂层的顺序依次层叠设置；
[0038]形成所述第一铬氮化物涂层所采用的氮气和氩气的流量比为(0.1～0.5)：1，时间为10min～120min；
[0039]形成所述第二铬氮化物涂层所采用的氮气和氩气的流量比为(0.5～1.5)：1，时间为10min～120min。
[0040]在其中一个实施例中，所述铬氮化物涂层的层数为5，按照第一铬氮化物涂层、第
二铬氮化物涂层、第三铬氮化物涂层、第四铬氮化物涂层和第五铬氮化物涂层的顺序依次层叠设置；
[0041]形成所述第一铬氮化物涂层所采用的氮气和氩气的流量比为(0.1～0.3)：1，时间为10min～120min；
[0042]形成所述第二铬氮化物涂层所采用的氮气和氩气的流量比为(0.3～0.5)：1，时间为10min～120min；
[0043]形成所述第三铬氮化物涂层所采用的氮气和氩气的流量比为(0.5～0.7)：1，时间为10min～120min；
[0044]形成所述第四铬氮化物涂层所采用的氮气和氩气的流量比为(0.7～1.0)：1，时间为10min～120min；
[0045]形成所述第五铬氮化物涂层所采用的氮气和氩气的流量比为(1.0～1.5)：1，时间为10min～120min。
[0046]在其中一个实施例中，在每次通过真空镀膜形成所述铬氮化物涂层的过程中，所述基体的负偏压分别独立为...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米多层复合涂层，其特征在于，包括依次层叠设置的若干铬氮化物涂层；每一层所述铬氮化物涂层分别独立包含Cr元素和N元素，且每一层所述铬氮化物涂层中N元素的含量呈逐层梯度递增。2.根据权利要求1所述的纳米多层复合涂层，其特征在于，所述铬氮化物涂层的层数为2～20。3.根据权利要求1所述的纳米多层复合涂层，其特征在于，每一层所述铬氮化物涂层满足如下如下(1)～(2)中的至少一项：(1)每一层所述铬氮化物涂层中N元素百分比为5％～60％；(2)每一层所述铬氮化物涂层的厚度分别独立为100nm～2000nm。4.根据权利要求1至3任一项所述的纳米多层复合涂层，其特征在于，还包括铬过渡层，所述铬过渡层靠近N元素的含量最低的铬氮化物涂层；所述铬过渡层的厚度为50nm～2000nm。5.一种权利要求1至4任一项所述的纳米多层复合涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：提供基体；以金属铬为靶材，氩气为工作气体，氮气为反应气体，在所述基体上施加负偏压，通过真空镀膜在所述基体的表面依次沉积形成呈层叠设置的若干铬氮化物涂层；且在真空镀膜过程中，控制所述氮气和氩气的流量比呈梯度递增，使每一层所述铬氮化物涂层中N元素的含量呈逐层梯度递增。6.根据权利要求5所述的纳米多层复合涂层的制备方法，其特征在于，在沉积过程中，控制氮气氩气流量比分N阶段发生变化，第n(n为整数且1≤n＜N)阶段的初始氮气氩气流量比称为n梯度流量比，并且在n阶段保持n梯度流量比一定时间，然后升高至第n阶段的终止流量比，第n阶段的终止流量比等于n+1梯度流量比。7.根据权利要求6所述的纳米多层复合涂层的制备方法，其特征在于，2≤N≤20；进一步优选地，2≤N≤10；当N＝5时，作为优选，所述铬氮化物涂层，按照第一铬氮化物涂层、第二铬氮化物涂层、第三铬氮化物涂层、第四铬氮化物涂层和第五铬氮化物涂层的顺序依次层叠设置；形成所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李立升，林海天，梁爽，
申请(专利权)人：广东华升纳米科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：