本發(fā)明涉及材料涂層領(lǐng)域，特別涉及一種高溫低摩擦CrAlSiON納米復(fù)合涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，在工模具、機(jī)械零部件等產(chǎn)品上涂覆金屬氮化物來(lái)提高產(chǎn)品表面性能和使用壽命的方法已經(jīng)成為一種廣泛應(yīng)用的表面改性技術(shù)。涂層的制備技術(shù)主要有化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)兩類(lèi)，但是CVD技術(shù)存在反應(yīng)氣體會(huì)腐蝕設(shè)備、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題，因此自九十年代中期以來(lái)物理氣相沉積(PVD)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。伴隨PVD技術(shù)的進(jìn)步，硬質(zhì)涂層經(jīng)歷了第一代簡(jiǎn)單二元涂層(TiN、TiC)→第二代三元或四元固溶涂層(TiAlN、TiCN、TiAlCN等)→第三代多層或超晶格結(jié)構(gòu)涂層(TiN/TiC/TiN多層、TiN/TiAlN/TiN多層、TiN/AlN超晶格等)→第四代納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層(TiSiN、TiAlSiN等)的發(fā)展。新型的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，由于Si元素的摻入形成了非晶態(tài)的Si₃N₄包裹著納米尺寸的金屬氮化物晶體，使得涂層具有超高硬度(>40GPa)、高韌性、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和熱硬性(>1000℃)、高的抗氧化性等，符合現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)涂層的高硬度、高韌性、高耐磨性和高溫性能的要求。

一般工業(yè)型硬質(zhì)涂層沉積設(shè)備，真空度基本在10^-3量級(jí)，因此涂層會(huì)含有一定量的氧雜質(zhì)，這些氧雜質(zhì)影響涂層的結(jié)構(gòu)和性能。過(guò)高的真空度勢(shì)必增加設(shè)備和工藝成本，不利于涂層的廣泛推廣使用。傳統(tǒng)的硬質(zhì)涂層的摩擦系數(shù)較高，在摩擦過(guò)程中不僅會(huì)加劇磨損，而且在高溫環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致涂層產(chǎn)生氧化、熱疲勞等現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)，提供一種應(yīng)力低、膜-基結(jié)合力強(qiáng)、抗高溫摩擦磨損性能和熱穩(wěn)定性能良好的高溫低摩擦CrAlSiON納米復(fù)合涂層，應(yīng)用于機(jī)械零部件、刀模具等產(chǎn)品的表面。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述高溫低摩擦CrAlSiON納米復(fù)合涂層的制備方法。

本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種高溫低摩擦CrAlSiON納米復(fù)合涂層，由CrN過(guò)渡層和CrAlSiON功能層組成；CrN過(guò)渡層中各元素的原子百分比含量為：Cr:55～75at.％，N:25～45at.％；CrAlSiON功能層中各元素的原子百分比含量為：Al:20～35at.％，Cr:10～20at.％，Si:2～12at.％，O:5～43at.％，N:10～53at.％。

上述高溫低摩擦CrAlSiON納米復(fù)合涂層的制備方法，是采用多弧離子鍍技術(shù)，通過(guò)改變工藝參數(shù)來(lái)獲取不同成分的涂層，包括下述步驟：

(1)金屬基體清洗：將金屬基體拋光處理，然后先后用丙酮、酒精超聲清洗10～20min，再用氮?dú)獯蹈珊笱b入真空室內(nèi)；

(2)Ar和金屬離子轟擊：打開(kāi)加熱器升溫至300～500℃，將真空室抽真空至真空度1.0～8.0×10^-3Pa以下；然后通入200～300sccm的Ar氣，設(shè)置工件支架偏壓-800～-1000V，對(duì)金屬基體表面進(jìn)行濺射清洗，轟擊時(shí)間10～20min；再將偏壓降至-600～-800V，點(diǎn)燃Cr靶，靶材電流60～150A，用高能Cr離子轟擊金屬基體3～15min，活化金屬基體表面以提高膜-基結(jié)合力；

(3)沉積CrN過(guò)渡層：將偏壓調(diào)至-100～-200V，通入200～300sccm的N₂氣，調(diào)節(jié)氣壓至1.0～3.0Pa，沉積CrN過(guò)渡層5～30min；

(4)沉積CrAlSiON功能層：通入O₂，控制氣壓在1.0～3.0Pa，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流60～150A，偏壓-60～-150V，沉積時(shí)間1～2小時(shí)；

(5)關(guān)閉電弧電源，待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室取出金屬基體，在金屬基體表面形成的涂層即為高溫低摩擦CrAlSiON納米復(fù)合涂層。

所述CrN過(guò)渡層和CrAlSiON功能層均采用電弧離子鍍技術(shù)，其厚度分別為0.2～1.5μm和1.5～4μm。

步驟(4)中，所述CrAlSi靶的各元素原子百分比為Cr：20～35at.％，Al：55～70at.％，Si：5～20at.％。

步驟(4)中，O₂占總的反應(yīng)氣體的比例為2～25％，總的反應(yīng)氣體包括O₂和N₂。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果：

(1)本發(fā)明將氧元素引入至CrAlSiON納米復(fù)合涂層，通過(guò)沉積條件的改變來(lái)控制氧在涂層中的存在形式，使涂層中預(yù)先形成一種或多種摩擦系數(shù)低、耐磨損的氧化物，在提高涂層結(jié)合力和降低應(yīng)力的同時(shí)，降低了涂層高溫條件下的摩擦系數(shù)，改善涂層抗摩擦磨損性能和熱穩(wěn)定性能，使得涂層適用于更苛刻的應(yīng)用環(huán)境。

(2)本發(fā)明的制備方法簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)，可控性好，降低了對(duì)鍍膜設(shè)備真空度的要求，適用于機(jī)械零部件、刀模具等產(chǎn)品表面的防護(hù)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說(shuō)明

圖1是高溫低摩擦CrAlSiON納米復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是高溫低摩擦CrAlSiON納米復(fù)合涂層的XRD圖。

圖3是800℃下CrAlSiON納米復(fù)合涂層的平均摩擦系數(shù)和氧含量的關(guān)系圖。

圖4是800℃下CrAlSiON納米復(fù)合涂層的磨損率和氧含量的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例1

一種高溫低摩擦的CrAlSiON納米復(fù)合涂層，由CrN過(guò)渡層和CrAlSiON功能層組成。CrN過(guò)渡層中各元素的原子百分比含量為：Cr:75at.％，N:25at.％。CrAlSiON功能層中各元素的原子百分比含量為：Al:20at.％,Cr:10at.％,Si:12at.％,O:5at.％,N:53at.％。

將硬質(zhì)合金拋光處理，經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗10min，再用氮?dú)獯蹈珊笱b入真空室內(nèi)。打開(kāi)加熱器升溫至300℃，真空室抽真空至真空度1.0×10^-3Pa以下。通入300sccm的Ar氣，設(shè)置工件支架偏壓-1000V，對(duì)基體表面進(jìn)行濺射清洗，轟擊時(shí)間10min。之后將偏壓降至-600V，點(diǎn)燃Cr靶，靶材電流150A，用高能Cr離子轟擊基體15min。將偏壓調(diào)至-200V，通入300sccm的N₂氣，調(diào)節(jié)氣壓至3.0Pa，沉積CrN過(guò)渡層30min。通入O₂，控制氣壓在1.0Pa，O₂/O₂+N₂比例為2％，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流60A，偏壓-150V，沉積時(shí)間1小時(shí)。完成鍍膜后，待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室取出基體。CrN過(guò)渡層和CrAlSiON功能層的厚度分別為1.5μm和1.5μm。

圖1為高溫低摩擦CrAlSiON納米復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。涂層的結(jié)構(gòu)由Cr金屬活化層，CrN過(guò)渡層以及CrAlSiON功能層構(gòu)成。圖1中各層均采用電弧離子鍍技術(shù)制備。Cr金屬活化層是用于活化金屬基體，提高膜基結(jié)合力，CrN過(guò)渡層一方面是為了進(jìn)一步提高結(jié)合力，另一方面為CrAlSiON功能層提供有力支撐。CrAlSiON功能層的應(yīng)力低，膜基結(jié)合好，高溫條件下耐磨損性好。

圖2給出了CrAlSiON納米復(fù)合涂層的XRD圖。從圖2中可以看到隨著氧含量增加，衍射峰向高位偏移，可推測(cè)O取代了N元素固溶到晶格中。同時(shí)，圖2中沒(méi)有Si₃N₄的衍射峰，表明為非晶結(jié)構(gòu)，可推測(cè)該納米復(fù)合結(jié)構(gòu)由非晶的Si₃N₄包裹著納米尺寸的(Cr,Al)ON構(gòu)成。

實(shí)施例2

一種高溫低摩擦的CrAlSiON納米復(fù)合涂層，由CrN過(guò)渡層和CrAlSiON功能層組成，CrN過(guò)渡層中各元素的原子百分比含量為：Cr:70at.％,N:30at.％。CrAlSiON功能層中各元素的原子百分比含量為：Al:25at.％,Cr:15at.％,Si:10at.％,O:15at.％,N:35at.％。

將硬質(zhì)合金拋光處理，經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗15min，再用氮?dú)獯蹈珊笱b入真空室內(nèi)。打開(kāi)加熱器升溫至350℃，真空室抽真空至真空度5.0×10^-3Pa以下。通入250sccm的Ar氣，設(shè)置工件支架偏壓-800V，對(duì)基體表面進(jìn)行濺射清洗，轟擊時(shí)間20min。之后將偏壓降至-800V，點(diǎn)燃Cr靶，靶材電流120A，用高能Cr離子轟擊基體3min。將偏壓調(diào)至-150V，通入300sccm的N₂氣，調(diào)節(jié)氣壓至2.0Pa，沉積CrN過(guò)渡層20min。通入O₂，控制氣壓在1.5Pa，O₂/O₂+N₂比例為4％，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流80A，偏壓-120V，沉積時(shí)間1小時(shí)。完成鍍膜后，待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室取出基體。CrN過(guò)渡層和CrAlSiON功能層的厚度分別為1μm和2μm。

經(jīng)過(guò)殘余應(yīng)力、劃痕儀測(cè)試、高溫摩擦測(cè)試，所制備的涂層的殘余應(yīng)力為1.3GPa，涂層附著性能優(yōu)異，膜/基臨界載荷達(dá)80N，同時(shí)800℃下涂層的摩擦系數(shù)為0.45，磨損率為4.5×10^-16m³/N·m。

實(shí)施例3

一種高溫低摩擦的CrAlSiON納米復(fù)合涂層，由CrN過(guò)渡層和CrAlSiON功能層組成，CrN過(guò)渡層中各元素的原子百分比含量為：Cr:60at.％,N:40at.％。CrAlSiON功能層中各元素的原子百分比含量為：Al:30at.％,Cr:20at.％,Si:5at.％,O:30at.％,N:25at.％。將硬質(zhì)合金拋光處理，經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗15min，再用氮?dú)獯蹈珊笱b入真空室內(nèi)。打開(kāi)加熱器升溫至400℃，真空室抽真空至真空度5.0×10^-3Pa以下。通入300sccm的Ar氣，設(shè)置工件支架偏壓-900V，對(duì)基體表面進(jìn)行濺射清洗，轟擊時(shí)間15min。之后將偏壓降至-700V，點(diǎn)燃Cr靶，靶材電流100A，用高能Cr離子轟擊基體10min。將偏壓調(diào)至-120V，通入250sccm的N₂氣，調(diào)節(jié)氣壓至2.0Pa，沉積CrN過(guò)渡層15min。通入O₂，控制氣壓在1.5Pa，O₂/O₂+N₂比例為8％，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流100A，偏壓-150V，沉積時(shí)間1.5小時(shí)。完成鍍膜后，待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室取出基體。所述CrN過(guò)渡層和CrAlSiON功能層的厚度分別為0.6μm和3μm。

實(shí)施例4

一種高溫低摩擦的CrAlSiON納米復(fù)合涂層，由CrN過(guò)渡層和CrAlSiON功能層組成，CrN過(guò)渡層中各元素的原子百分比含量為：Cr:55at.％,N:45at.％。CrAlSiON功能層中各元素的原子百分比含量為：Al:35at.％,Cr:20at.％,Si:2at.％,O:43at.％,N:10at.％。將硬質(zhì)合金拋光處理，經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗20min，再用氮?dú)獯蹈珊笱b入真空室內(nèi)。打開(kāi)加熱器升溫至450℃，真空室抽真空至真空度8.0×10^-3Pa以下。通入200sccm的Ar氣，設(shè)置工件支架偏壓-900～-1000V，對(duì)基體表面進(jìn)行濺射清洗，轟擊時(shí)間20min。之后將偏壓降至-800V，點(diǎn)燃Cr靶，靶材電流60A，用高能Cr離子轟擊基體15min。將偏壓調(diào)至-100V，通入200sccm的N₂氣，調(diào)節(jié)氣壓至1.0Pa，沉積CrN過(guò)渡5min。通入O₂，控制氣壓在3.0Pa，O₂/O₂+N₂比例為16％，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流150A，偏壓-150V，沉積時(shí)間2小時(shí)。完成鍍膜后，待真空室溫度降至室溫，打開(kāi)真空室取出基體。所述CrN過(guò)渡層和CrAlSiON功能層的厚度分別為0.2μm和4μm。

測(cè)試?yán)篊rAlSiON納米復(fù)合涂層的摩擦磨損性能測(cè)試

摩擦試驗(yàn)在CSM HT-1000型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用純度為99.5％Al₂O₃球(Φ8mm，HV1650)作為對(duì)磨球(不同溫度下各測(cè)試一次)。試驗(yàn)線速度設(shè)定為20cm/s，半徑為5.0mm，載荷選用5N。每一種溫度下涂層進(jìn)行3000圈摩擦，涂層的摩擦因數(shù)在摩擦過(guò)程中由軟件自帶給出。圖3為800℃下本發(fā)明制備的CrAlSiON納米復(fù)合涂層的平均摩擦系數(shù)和氧含量的關(guān)系圖。從圖3中可觀察到800℃下本發(fā)明制備的CrAlSiON納米復(fù)合涂層的平均摩擦系數(shù)比傳統(tǒng)的CrAlSiN降低了3倍左右。

圖4為800℃下本發(fā)明制備的CrAlSiON納米復(fù)合涂層的磨損率和氧含量的關(guān)系圖。涂層磨損率W([m³/N·m]x10^-15)通過(guò)公式W＝V/(P×L)計(jì)算得到，其中，涂層的磨損量V可以通過(guò)磨痕截面的面積計(jì)算得來(lái)，磨痕截面面積可以由白光干涉儀獲得。從圖4中可發(fā)現(xiàn)800℃下本發(fā)明制備的CrAlSiON納米復(fù)合涂層的磨損率比傳統(tǒng)的CrAlSiN降低了9～10倍。