本发明专利技术公开了一种CN-MCN超硬自润滑纳米复合涂层及其制备方法。本发明专利技术利用电弧放电法和中空阴极电弧放电碳源联合法生成由结合层、过渡层、支撑层、润滑层依次构成的纳米复合涂层。本发明专利技术的制备方法具有离化率高、涂层设备结构简单、沉积速率快等特点。所制备CN-MCN复合涂层材料具有涂层硬度高、附着力强、自润滑性能好、涂层生长速率快、生产效率高、生产成本低、摩擦系数低，涂层韧性好，可以大幅度提高加工刀具、模具以及机械零部件的耐磨和润滑性能，此外其制备方法简单，易于实现工业生产，具有良好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及薄膜材料领域，特别涉及一种CN-MCN超硬自润滑纳米复合涂层及其制备方法。
技术介绍
高强度和超高强度材料、高韧性、难切削等新材料层出不穷，如各种新型高强度金属基复合材料、纤维和颗粒增强复合材料、有色金属以及非金属材料等在航空航天、造船、汽车等领域的广泛应用，对于切削刀具提出了新的要求高速、高精度、高效、智能和环保成为切削加工的追求目标。将超硬涂层材料镀于切削刀具表面，正适应了现代制造业对切削刀具的高技术要求，不但切削刀具基体保持了其较高的强度，镀于表面的超硬复合涂层又能发挥“超硬、强韧、耐磨、自润滑”的优势，从而大大提高切削刀具在加工过程中的耐用度 和适应性。自20世纪60年代末第一代化学气相沉积TiC硬质合金刀片问世以来，涂层技术对刀具上成功应用，被誉为高速钢刀具性能的一场革命。从此，涂层技术取得了飞速的发展，涂层工艺越来越成熟，涂层刀具应用范围越来越广泛。西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已有1978年的26%上升到2005年的90%，新型的数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。最常用的多元刀具涂层是TiCN为主的涂层。TiCN涂层兼有TiC和TiN涂层的良好韧性和硬度，它在涂覆过程中可通过连续改变C和N的成份来控制TiCN的性质，并可形成不同成份的梯度结构，降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层厚度，阻止裂纹扩展，减少崩刃。涂层技术不断地在发展，九十年代中期，中温化学气相沉积(MT-CVD)新技术的出现，使CVD技术发生了革命性变革。MT-CVD技术是以有机物乙腈作为主要反应气体，在700度以下生成TiCN涂层。这种TiCN涂层方法有效控制了很脆的G相(Co3W3C)生成，提高了涂层的耐磨性、抗热震性及韧性。研究表明在PVD沉积TiCN涂层时适当增加离子束轰击也可明显提高涂层的硬度及耐磨性。近年来，以TiCN为基的四元成分新涂层材料(如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等)也纷纷出现。随着金属切削加工朝高切削速度、高给进速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性方面发展，对表面涂层的要求越来越高。氮化碳(CN)薄膜具有高硬度、低摩擦系数和高热稳定性的特点，是一种最新型的超硬材料，其理论硬度接近金刚石，有望在在某些场合取代金刚石材料。研究表明当切削高硬度难加工材料时，氮化碳具有明显的优势。目前CNx薄膜制备方法很多，常用的制备方法有振荡波压缩、高压热解、离子注入、低能离子辐射、离子束沉积、反应溅射、化学气相沉积、激光烧蚀、脉冲激光诱导、电化学沉积和电弧放电。目前国内外对氮化碳涂层已经进行了大量研究，但由于CN涂层应力大，容易从基体上剥落，一直未获得大规模的工业应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服背景中存在的不足，提供一种CN-MCN超硬自润滑纳米复合涂层及其制备方法。本专利技术产品的技术方案如下在基体表面有从内到外由结合层、过渡层、支撑层、润滑层依次构成的复合涂层，其中结合层的材料为过渡金属M，其中M为Ti、Cr、Zr或Mo ;过渡层的材料为M的氮化物，即MN ;支撑层的材料为M的渐变碳氮化物，即MCxN，其中0〈x ( I ;润滑层的材料为氮化碳与M的碳氮化物形成的复合涂层，即CN-MCN。为进一步提闻本专利技术广品的性价比I)结合层厚度为10-100纳米；过渡层厚度为100-1000纳米 ；支撑层厚度为100-2000纳米；润滑层厚度为1-5微米；2)所述的基体为硬质合金、不锈钢、高速钢、碳钢或模具钢；3)所述润滑层中MCN为纳米晶，晶粒尺寸为3-20nm;CN为非晶相，CN含量为l~20at%o本专利技术的制备方法的技术方案是其特征在于由下述步骤依次形成I)在基体表面沉积结合层，该结合层的材料为过渡金属M层；其中M为Ti、Cr、Zr或Mo ；2)在上步得到的结合层上沉积过渡层，该过渡层的材料为M的氮化物，即MN ；3)在上步得到的过渡层上沉积支撑层，该支撑层的材料为M的渐变碳氮化物，即MCxN，其中 0〈x 彡 I ;4)在上步得到的支撑层上沉积润滑层，该润滑层的材料为氮化碳与M的碳氮化物形成的复合涂层，即CN-MCN ；自然冷却，即得。为进一步提高本专利技术方法的工效和质量，可进一步将各步骤的具体条件选择在I)所述结合层的沉积条件为温度为50 - 500°C，气压O. 005-0. 03Pa，电压一800V 到一 1000V 偏压；2)所述过渡层的沉积条件为氮气环境下，气压O. 3_3Pa，电压一 100V到一 200V偏压；3)所述过渡层的沉积条件为在保证氮气流量条件下逐步通入乙炔，乙炔流量的逐步增大至乙炔和氮气的流量比为1:1，气压O. l-2Pa，电压一 50V到一 200V偏压；4)所述润滑层的沉积条件为氮气和乙炔的环境下，电压一 50V到一 200V偏压、气压 O. 5~2. 5Pa。作为优选项所述的基体为硬质合金、不锈钢、高速钢、碳钢或模具钢。所述润滑层中MCN为纳米晶，晶粒尺寸为3-20nm ;CN为非晶相，CN含量为l~20at%o由上述技术方案可知本专利技术是利用电弧放电法和中空阴极电弧放电碳源联合法制备超硬CN-MCN复合涂层。常规MCN制备过程中，涂层晶粒尺度一般为微米级，涂层的硬度为25-30GPa，如果要进一步提高涂层硬度存在较大的技术难度。纳米结构涂层技术是近年来迅速发展的涂层新技术，分为纳米多层涂层和纳米晶-非晶复合涂层。纳米多层涂层的高硬度主要是由于层内或层间位错运动困难所致。与纳米多层膜不同，在纳米晶-非晶复合超硬涂层中，涂层的高硬度主要由涂层中的结晶相和非晶相的结构有关系，结晶相颗粒的大小直接决定了涂层的硬度。纳米晶复合超硬材料以其优异的性能，如超高硬度、高韧性及低的摩擦系数等，引起了全世界的科研工作者的极大兴趣。成为继P-C3N4、超晶格涂层之后超硬涂层材料研究的又一热点。本专利技术利用CN的高硬度特性，进一步提高MCN涂层的硬度；利用MCN的分散效应降低CN涂层的内应力。利用CN涂层非晶特性限制MCN涂层的晶粒生长，获取纳米晶状态的MCN，使MCN涂层具有良好的韧性，形成CN-MCN纳米晶复合涂层，为高硬度难加工材料的切削提供新的选择。一般条件下，MCN制备主要通过金属电弧靶在乙炔和氮气共存的环境中电弧放电进行制备，但由于离化率有限，制备的MCN涂层硬度较低，附着力较差，不能很好的满足工业实际应用。电弧放电利用中空阴极离子源的高离化率来离解乙炔气体产生碳源，并通入氮气，产生高浓度的碳离子和氮离子，氮气与碳反应在工件形成氮化碳，此外利用金属电弧靶产生高浓度金属离子，在金属离子和碳离子以及氮离子共同存在的条件下形成MCN，利用碳源和氮离子共同作用形成CNx，调节CN含量，形成不同CN含量的CN-MCN纳米复合涂层， 利用CN的高硬度强化MCN涂层，利用工件架的旋转制备CN-MCN复合涂层。在本专利技术中，CN材料容易形成非晶相，同时其具有很高的硬度。为此将其和MCN涂层材料相复合，利用CN的限制效应使MCN相形成纳米晶，利用MCN的复合效应降低CN涂层的内应力。利用CN的高硬度提高MCN涂层的硬度，最后开发出新型的CN-MCN复合涂层。为了提高涂层和基体之间的结合力，本专利首先利用大功率的圆形电弧源的使M金属离化，在工件上加本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种CN？MCN超硬自润滑纳米复合涂层，其特征在于：在基体表面有从内到外由结合层、过渡层、支撑层、润滑层依次构成的复合涂层，且：1）结合层的材料为过渡金属M，其中M为Ti、Cr、Zr或Mo；2）过渡层的材料为M的氮化物，即MN；3）支撑层的材料为M的渐变碳氮化物，即MCxN，其中0
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨兵，王如意，付德君，丁辉，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：
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