一種高硬度CrBCN納米復合結構保護性涂層及其制備方法

　　【技術領域】

　　[0001]本發明涉及一種新型硬質保護涂層，特別涉及一種高硬度CrBCN納米復合結構保護性涂層及其制備方法，應用于刀具、模具等承受耐磨、沖擊等載荷零件作為保護性涂層，屬于材料表面改性技術領域。

　　【背景技術】

　　[0002]隨著社會的發展和科技的進步，對材料的表面性能提出了越來越高的要求，要求材料在保持一定韌性的同時，還要求材料表面具有較高的硬度、耐磨、耐腐蝕和耐高溫性能。在材料表面涂覆一定厚度的涂層是提高材料表面性能的一種有效途徑，其發展適應了現代社會對材料服役性能的高技術要求，已被廣泛應用于機械制造、汽車工業、地質鉆探、模具工業等領域。納米硬質涂層是一種有效的表面改性技術。超硬涂層是硬度大于40GPa的涂層材料，硬質合金超硬涂層刀具集成了強度、韌性和硬度優勢，可大幅提高切削加工效率和質量，滿足高速高效數控切削加工的新需求，成為新一代高檔刀具的代表。開發超硬涂層涂層，對提高我國數控加工技術應用水平，提升我國基礎制造能力具有重要的現實意義。隨著材料服役環境的日益惡化，對保護性涂層材料的性能也提出了更高的要求，傳統的保護性涂層，如TiN、TiC、TiCN、CrN、TiAlN等等二元和三元涂層已逐漸不能滿足要求主要缺點是其硬度、膜/基結合力、耐磨性能及耐熱性能不能滿足極其惡劣條件下的切削要求。

　　[0003]納米晶-非晶復合涂層是近年來迅速發展的高性能新型涂層，該材料涂層的納米晶被非晶相包裹，具有良好的硬度、耐磨性、耐蝕性等性能，能夠使涂層刀具具有更高的切削性能和更長的使用壽命。近年來，由于具有高硬度、高模量、高耐磨性以及優異的抗高溫性能，在納米晶-非晶復合超硬涂層中，涂層的高硬度主要由涂層中的結晶相和非晶相的結構有關系，結晶相顆粒的大小直接決定了涂層的硬度。納米晶復合超硬材料以其優異的性能，如超高硬度、高韌性及低的摩擦系數等，引起了全世界的科研工作者的極大興趣。已成為先進保護性涂層領域重要的發展方向，能夠滿足高速切削和干式切削的要求。

　　[0004]目前，通過查詢文獻可知，納米復合結構涂層已經通過不同的物理氣相沉積方法成功制得，通過查新檢索到如下制備納米復合結構涂層的相關專利:

　　[0005]申請號為201210011554的中國專利涉及一種納米復合結構的V-Al-N硬質涂層，成分表示為(VpxAIx)N,其中，1-x為0.41?0.6，x為0.4?0.59，在保證較低摩擦系數的同時，能夠保證具有較高的硬度，特別適合作為刀具涂層。該發明還公開了 V-Al-N硬質涂層的制備方法，包括以下步驟:基體清洗;沉積涂層:在真空室中，將Al靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，通入Ar氣和N2氣，通過調節Al靶的功率和V靶的功率，在250°C?500°C和

　　0.3Pa?1.0Pa條件下，對基體濺射沉積納米復合結構的V-Al-N硬質涂層。

　　[0006]申請號為201010176236的中國專利涉及一種納米復合鈦鉻鋁硅氮化物刀具涂層及其制備方法，刀具基體為WC/Co硬質合金，涂層包含有過渡層的納米復合鈦鉻鋁硅氮化物涂層，其中含有欽、絡、招、娃和氣兀素，晶粒大小在5?15nm，涂層厚度I?4μηι，涂層顯微硬度30GPa，高溫穩定性達到1022°C以上，適用于高速條件下的高硬度鋼材料切削加工。

　　[0007]上述現有納米結構涂層及其制備技術中，未曾見到能達到超過40GPa的超高硬度涂層，而且彈性模量也較低;此外，現有的制備技術在制備過程中能耗較大，效率較低，并且所使用的設備也有成本高、生產過程復雜等一系列缺陷，難以實現大規模的工業化生產。

　　【發明內容】

　　[0008]本發明克服了現有技術的不足，提供了一種具有高硬度、高耐磨性的CrBCN納米復合保護性涂層，可作為高速切削刀具、模具等零件的涂層和其他領域裝備的保護涂層，并且其制備方法具有生產效率高、能耗低、工藝簡單、無污染、對設備要求較低等優點。

　　[0009]實現本發明上述目的所采用的技術方案為:

　　[0010]一種高硬度CrBCN納米復合結構保護性涂層，沉積覆蓋于基體上，所述的保護性涂層與基體之間設置有過渡層，所述過渡層分為上下兩層，與基體相接觸的下層為金屬結合層Cr，與保護性涂層相接觸的上層為CrN，過渡層的厚度為200?400nm，所述保護性涂層為非晶BCN界面相包裹CrN納米等軸晶粒的納米復合結構，其厚度為2?5μηι。

　　[0011 ]所述CrN納米等軸晶粒的晶粒尺寸為5?1nm。

　　[0012]所述基體為硬質合金、不銹鋼、高速鋼、碳鋼、模具鋼或陶瓷。

　　[0013]所述的高硬度CrBCN納米復合結構保護性涂層的制備方法包括以下步驟:

　　[0014](I)、靶材的選用:選用純度為99.99%的兩個鉻靶和兩個硼鉻靶的組合方式，四個靶材互成90度放置，中間為加熱棒；

　　[0015](2)、基體預處理工藝:將基體表面使用洗滌劑進行常規去油、去污處理，然后進行拋光處理，最后分別使用丙酮和乙醇進行超聲波清洗，烘干后裝入真空室，然后進行離子清洗；

　　[0016](3)、沉積過渡層:將離子清洗后的基體在2000C?400°C，真空度Ix 10—3Pa、偏壓一800V的條件下沉積金屬Cr層，然后在1.0Pa氮氣環境下、鉻靶由射頻陰極控制，偏壓-150?-200伏條件下，沉積10?20min，得到CrN層，Cr層與CrN層的總厚度為200?400nm;

　　[0017](4)、CrBCN層制備:利用硼鉻靶在真空室內進行沉積CrBCN層，真空室的本底真空度優于5X10—3Pa,硼鉻靶由射頻陰極控制，派射氣氛采用Ar與他以及乙炔C2H2的混合氣體，沉積氣壓為0.8?2Pa，基體溫度200 °C?400 °C，濺射功率為280?400W，濺射時間為90?120min，革E基距為5cm，在過渡層的表面上沉積得到2?5μηι厚的CrBCN納米復合結構保護性涂層。

　　[0018]步驟(2)中所述的離子清洗具體為:將所述基體裝進真空室，抽真空后開Ar氣，Ar氣流量為20?50sccm，維持真空度在2?4Pa，采用射頻電源對所述基體進行30min的離子轟擊，功率為80?100W;硼鉻靶的弧電流控制為70安培，鉻靶的弧電流控制為70安培，轟擊偏壓控制為-350伏。

　　[0019]步驟(2)中超聲波清洗機的頻率為15?30kHz。

　　[0020]所述步驟(4)中，Ar氣流量為20?50sccm，N2氣流量為100?120sccm，乙炔C2H2氣體流量為30?60sccmo

　　[0021]步驟(3)和(4)中，基體的溫度范圍為200 0C?400 V。

　　[0022]采用本發明所述工藝方法獲得的CrBCN保護涂層由納米CrN基體相和非晶BCN界面相兩相組成，并且在涂層內部形成納米復合結構，即BCN界面相包裹晶粒尺寸為5?1nm的CrN納米等軸晶粒，利用BCN非晶相的分散效應降低CrN的內應力。利用BCN涂層非晶特性限制CrN涂層的晶粒生長，獲取納米晶狀態的CrN，使CrN涂層具有良好的韌性。在該納米復合結構下，位錯運動難以開展。同時由于氮化鉻過渡層的加入，使得該發明提高了薄膜與基體間的結合力和耐熱性能，尤其改善了薄膜的硬度和耐磨性能，因此，所述CrBCN保護性涂層不但具有超過40GPa的高硬度，而且具有優良的抗高溫氧化性和耐腐蝕能力，膜的膜/基結合力高達200N以上。本發明可作為高速干式切削刀具、模具等零件的涂層和其他領域承受磨損沖擊等高載荷裝備的保護性涂層。并且本發明所述制備方法具有工藝簡單、沉積速度快、成本低等特點，生產效率高、能耗低、對設備要求較低。

　　【附圖說明】

　　[0023]圖1為本發明所使用的多靶磁控濺射儀的結構示意圖；

　　[0024]圖2為本發明所制備的CrBCN復合涂層截面形貌圖；

　　[0025]圖3為本發明所制備的CrBCN復合涂層的的表面形貌圖。

　　【具體實施方式】

　　[0026]本發明以下實施例中所制備的高硬度CrBCN納米復合結構保護性涂層，沉積覆蓋于基體上，所述基體為硬質合金、不銹鋼、高速鋼、碳鋼、模具鋼或陶瓷。所述的保護性涂層與基體之間設置有過渡層，所述過渡層分為上下兩層，與基體相接觸的下層為金屬結合層Cr，與保護性涂層相接觸的上層為CrN，過渡層的厚度為200?400nm，所述保護性涂層為非晶BCN界面相包裹CrN納米等軸晶粒的納米復合結構，其厚度為2?5μηι。所述CrN納米等軸晶粒的晶粒尺寸為5?10nm。

　　[0027]制備本發明所述的高硬度CrBCN納米復合結構保護性涂層所用的儀器分別為:JGP-450型多靶磁控濺射儀和M308457超聲波清洗機。