一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层及其制备方法，该梯度复合涂层包括依次沉积于基体(1)表面的CrN打底层(2)、CrAlN过渡层(3)、CrAlSiN中间层(4)和CrAlSiNO层(5)，所述的梯度复合涂层总厚度为6.5～8.5μm；该方法通过阴极电弧离子镀工艺制备梯度复合涂层，包括基体(1)表面活化、CrN打底层(2)制备、CrAlN过渡层(3)制备、CrAlSiN中间层(4)制备和CrAlSiNO层(5)制备。与现有技术相比，本发明专利技术的梯度复合涂层表现出优异的高温抗氧化性、良好的力学性能以及耐磨性，且制备方法简单，易于实施，应用于高温轴承上使得高温轴承的使用寿命进一步提升。命进一步提升。命进一步提升。

【技术实现步骤摘要】
一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于机械摩擦防护以及高温防护
，涉及一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]机械零部件在高温条件下摩擦表面发生氧化、相变以及元素扩散等组织结构以及成分的变化，引起零部件力学性能下降，导致其使用寿命降低的同时造成极大的安全隐患。目前，轴承在高温环境中使用寿命的提升一直都是一个瓶颈。氮化物类陶瓷基涂层由于具有高硬度、良好的耐磨性以及高温稳定性等优异的性能被广泛应用于机械零部件和金属加工领域作为防护层。其中掺杂Al元素到CrN晶格中形成的三元CrAlN涂层，由于固溶强化和高温下生成致密的Al2O3、Cr2O3氧化物，有效地提高了二元CrN涂层的硬度和抗氧化温度，而被广泛应用。近年来，随着应用工况的复杂，涂层工件经常被用于高温(如1000℃)高载等场合，三元CrAlN涂层已不能满足需求。
[0003]为了进一步提升CrAlN涂层的耐氧化性、力学以及摩擦学等性能，往三元CrAlN涂层掺杂Si元素可以有效地提高原来涂层的力学性能，但是其内应力较大，在高温摩擦过程中加速了氧气的侵入，易被快速氧化而失效。此外，高温下涂层内部中存在的氮气分子或者吸附较弱的氮离子会沿着晶界和针孔释放出来，导致摩擦学性能下降。
[0004]专利CN109207938A公开了一种Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜及其制备方法，本纳米多层梯度膜是通过多弧离子镀方法，在低合金钢或模具钢基体上，由依次沉积的Ti打底层、TiN过渡层、TiAlSiN过渡层和TiAlCrSiN膜层组成；该纳米多层梯度膜的总厚度为1.8
‑
3.6μm；Ti、Al、Cr、Si元素的总含量范围分别为30
‑
34at％、20
‑
24at％、5
‑
10at％、3
‑
5at％。但该专利制备的涂层内应力较大，涂层韧性较差，在疲劳磨损过程中易产生微裂纹而发生提前失效。
[0005]专利CN114231901A公开了一种CrAlSiN梯度复合涂层及其制备方法，采用阴极电弧离子镀工艺对工件涂覆CrAlSiN超硬梯度涂层的步骤依次包括制备Cr打底层、制备CrN粘结层、制备CrAlN过渡层和制备CrAlSiN表层四个阶段，涂层结束后对涂层表面进行抛光处理。但该专利制备的涂层硬度较低，耐磨性较差。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的至少一种缺陷而提供一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层及其制备方法，本专利技术的梯度复合涂层表现出优异的高温抗氧化性、良好的力学性能以及耐磨性，且制备方法简单，易于实施，应用于高温轴承上使得高温轴承的使用寿命进一步提升。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]本专利技术的技术方案之一在于，提供一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层，该梯度复合涂层包括依次沉积于基体表面的CrN打底层、CrAlN过渡层、CrAlSiN中间层和CrAlSiNO层，
所述的梯度复合涂层总厚度为6.5～8.5μm。
[0009]进一步地，所述的CrN打底层厚度为0.1～0.3μm，所述的CrAlN过渡层厚度为0.15～0.45μm，所述的CrAlSiN中间层厚度为1.85～2.15μm，所述的CrAlSiNO层厚度为4.4～5.6μm。
[0010]本专利技术的技术方案之一在于，提供一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层的制备方法，该方法通过阴极电弧离子镀工艺制备梯度复合涂层，包括以下步骤：
[0011](1)基体表面活化：预抽真空，设置炉腔温度，通入惰性气体，设置Cr靶电流，基体接入电压刻蚀，获得活化的基体表面；
[0012](2)CrN打底层制备：控制真空度和炉腔温度，Cr靶接入电流，通入反应气体，沉积，获得CrN打底层；
[0013](3)CrAlN过渡层制备：控制真空度和炉腔温度，CrAl靶接入电流，通入反应气体，沉积，获得CrAlN过渡层；
[0014](4)CrAlSiN中间层制备：控制真空度和炉腔温度，CrAl靶接入电流，CrSi靶接入电流，通入反应气体，沉积，获得CrAlSiN中间层；
[0015](5)CrAlSiNO层制备：控制真空度和炉腔温度，CrAl靶接入电流，CrSi靶接入电流，通入反应气体，沉积，获得CrAlSiNO层。
[0016]进一步地，步骤(1)前基体预处理：抛光基体，超声振荡，清洗之后烘干。
[0017]进一步地，所述的抛光目数为2400～3200目，所述的超声振荡时间为10～15min，所述的清洗时间为8～12min，所述的烘干温度为60～65℃。
[0018]作为优选的技术方案，所述的抛光采用砂纸或棉布轮，所述的超声振荡依次在丙酮和乙醇中进行，所述的清洗采用水。
[0019]进一步地，步骤(1)中真空度为8
×
10
‑4～2
×
10
‑3Pa，炉腔温度为400～450℃；
[0020]惰性气体流量为170～200sccm；
[0021]Cr靶电流为100～130A；
[0022]基体电压为
‑
750～
‑
650V，刻蚀时间为8～12min。
[0023]作为优选的技术方案，步骤(1)中惰性气体为氩气。
[0024]进一步地，步骤(2)中真空度为2
×
10
‑2～4
×
10
‑2Pa，炉腔温度为400～450℃；
[0025]Cr靶电流为120～140A；
[0026]反应气体为氮气，流量为100～150sccm；
[0027]沉积偏压为
‑
120～
‑
100V，时间为10～15min。
[0028]进一步地，步骤(3)中真空度为2
×
10
‑2～4
×
10
‑2Pa，炉腔温度为400～450℃；
[0029]CrAl靶电流为110～130A；
[0030]反应气体为氮气，流量为130～170sccm；
[0031]沉积偏压为
‑
140～
‑
110V，时间为12～18min。
[0032]进一步地，步骤(4)中真空度为2
×
10
‑2～4
×
10
‑2Pa，炉腔温度为400～450℃；
[0033]CrAl靶电流为110～130A，CrSi靶电流为130～160A；
[0034]反应气体为氮气，流量为160～220sccm；
[0035]沉积偏压为
‑
130～
‑
100V，时间为60～80min。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层，其特征在于，该梯度复合涂层包括依次沉积于基体(1)表面的CrN打底层(2)、CrAlN过渡层(3)、CrAlSiN中间层(4)和CrAlSiNO层(5)，所述的梯度复合涂层总厚度为6.5～8.5μm。2.根据权利要求1所述的一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层，其特征在于，所述的CrN打底层(2)厚度为0.1～0.3μm，所述的CrAlN过渡层(3)厚度为0.15～0.45μm，所述的CrAlSiN中间层(4)厚度为1.85～2.15μm，所述的CrAlSiNO层(5)厚度为4.4～5.6μm。3.一种如权利要求1或2所述的硬质CrAlSiNO梯度复合涂层的制备方法，其特征在于，该方法通过阴极电弧离子镀工艺制备梯度复合涂层，包括以下步骤：(1)基体(1)表面活化：预抽真空，设置炉腔温度，通入惰性气体，设置Cr靶电流，基体(1)接入电压刻蚀，获得活化的基体(1)表面；(2)CrN打底层(2)制备：控制真空度和炉腔温度，Cr靶接入电流，通入反应气体，沉积，获得CrN打底层(2)；(3)CrAlN过渡层(3)制备：控制真空度和炉腔温度，CrAl靶接入电流，通入反应气体，沉积，获得CrAlN过渡层(3)；(4)CrAlSiN中间层(4)制备：控制真空度和炉腔温度，CrAl靶接入电流，CrSi靶接入电流，通入反应气体，沉积，获得CrAlSiN中间层(4)；(5)CrAlSiNO层(5)制备：控制真空度和炉腔温度，CrAl靶接入电流，CrSi靶接入电流，通入反应气体，沉积，获得CrAlSiNO层(5)。4.根据权利要求3所述的一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)前基体(1)预处理：抛光基体(1)，超声振荡，清洗之后烘干。5.根据权利要求4所述的一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层的制备方法，其特征在于，所述的抛光目数为2400～3200目，所述的超声振荡时间为10～15min，所述的清洗时间为8～12min，所述的烘干温度为60～65℃。6.根据权利要求3所述的一种硬质CrAlSiNO梯度复合涂层的制备方法，其特征在于，步骤(1)中真空度为8
×
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‑4～2
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‑3Pa，炉腔温度为400～450℃；惰性气体流量为170～200sccm；Cr靶...

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