一种高硬度CrBCN纳米复合结构保护性涂层及其制备方法

　　一种高硬度CrBCN纳米复合结构保护性涂层及其制备方法

　　【技术领域】

　　[0001]本发明涉及一种新型硬质保护涂层，特别涉及一种高硬度CrBCN纳米复合结构保护性涂层及其制备方法，应用于刀具、模具等承受耐磨、冲击等载荷零件作为保护性涂层，属于材料表面改性技术领域。

　　【背景技术】

　　[0002]随着社会的发展和科技的进步，对材料的表面性能提出了越来越高的要求，要求材料在保持一定韧性的同时，还要求材料表面具有较高的硬度、耐磨、耐腐蚀和耐高温性能。在材料表面涂覆一定厚度的涂层是提高材料表面性能的一种有效途径，其发展适应了现代社会对材料服役性能的高技术要求，已被广泛应用于机械制造、汽车工业、地质钻探、模具工业等领域。纳米硬质涂层是一种有效的表面改性技术。超硬涂层是硬度大于40GPa的涂层材料，硬质合金超硬涂层刀具集成了强度、韧性和硬度优势，可大幅提高切削加工效率和质量，满足高速高效数控切削加工的新需求，成为新一代高档刀具的代表。开发超硬涂层涂层，对提高我国数控加工技术应用水平，提升我国基础制造能力具有重要的现实意义。随着材料服役环境的日益恶化，对保护性涂层材料的性能也提出了更高的要求，传统的保护性涂层，如TiN、TiC、TiCN、CrN、TiAlN等等二元和三元涂层已逐渐不能满足要求主要缺点是其硬度、膜/基结合力、耐磨性能及耐热性能不能满足极其恶劣条件下的切削要求。

　　[0003]纳米晶-非晶复合涂层是近年来迅速发展的高性能新型涂层，该材料涂层的纳米晶被非晶相包裹，具有良好的硬度、耐磨性、耐蚀性等性能，能够使涂层刀具具有更高的切削性能和更长的使用寿命。近年来，由于具有高硬度、高模量、高耐磨性以及优异的抗高温性能，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。已成为先进保护性涂层领域重要的发展方向，能够满足高速切削和干式切削的要求。

　　[0004]目前，通过查询文献可知，纳米复合结构涂层已经通过不同的物理气相沉积方法成功制得，通过查新检索到如下制备纳米复合结构涂层的相关专利:

　　[0005]申请号为201210011554的中国专利涉及一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为(VpxAIx)N,其中，1-x为0.41?0.6，x为0.4?0.59，在保证较低摩擦系数的同时，能够保证具有较高的硬度，特别适合作为刀具涂层。该发明还公开了 V-Al-N硬质涂层的制备方法，包括以下步骤:基体清洗;沉积涂层:在真空室中，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，通入Ar气和N2气，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，在250°C?500°C和

　　0.3Pa?1.0Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层。

　　[0006]申请号为201010176236的中国专利涉及一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法，刀具基体为WC/Co硬质合金，涂层包含有过渡层的纳米复合钛铬铝硅氮化物涂层，其中含有钦、络、招、娃和氣兀素，晶粒大小在5?15nm，涂层厚度I?4μηι，涂层显微硬度30GPa，高温稳定性达到1022°C以上，适用于高速条件下的高硬度钢材料切削加工。

　　[0007]上述现有纳米结构涂层及其制备技术中，未曾见到能达到超过40GPa的超高硬度涂层，而且弹性模量也较低;此外，现有的制备技术在制备过程中能耗较大，效率较低，并且所使用的设备也有成本高、生产过程复杂等一系列缺陷，难以实现大规模的工业化生产。

　　【发明内容】

　　[0008]本发明克服了现有技术的不足，提供了一种具有高硬度、高耐磨性的CrBCN纳米复合保护性涂层，可作为高速切削刀具、模具等零件的涂层和其他领域装备的保护涂层，并且其制备方法具有生产效率高、能耗低、工艺简单、无污染、对设备要求较低等优点。

　　[0009]实现本发明上述目的所采用的技术方案为:

　　[0010]一种高硬度CrBCN纳米复合结构保护性涂层，沉积覆盖于基体上，所述的保护性涂层与基体之间设置有过渡层，所述过渡层分为上下两层，与基体相接触的下层为金属结合层Cr，与保护性涂层相接触的上层为CrN，过渡层的厚度为200?400nm，所述保护性涂层为非晶BCN界面相包裹CrN纳米等轴晶粒的纳米复合结构，其厚度为2?5μηι。

　　[0011 ]所述CrN纳米等轴晶粒的晶粒尺寸为5?1nm。

　　[0012]所述基体为硬质合金、不锈钢、高速钢、碳钢、模具钢或陶瓷。

　　[0013]所述的高硬度CrBCN纳米复合结构保护性涂层的制备方法包括以下步骤:

　　[0014](I)、靶材的选用:选用纯度为99.99%的两个铬靶和两个硼铬靶的组合方式，四个靶材互成90度放置，中间为加热棒；

　　[0015](2)、基体预处理工艺:将基体表面使用洗涤剂进行常规去油、去污处理，然后进行抛光处理，最后分别使用丙酮和乙醇进行超声波清洗，烘干后装入真空室，然后进行离子清洗；

　　[0016](3)、沉积过渡层:将离子清洗后的基体在2000C?400°C，真空度Ix 10—3Pa、偏压一800V的条件下沉积金属Cr层，然后在1.0Pa氮气环境下、铬靶由射频阴极控制，偏压-150?-200伏条件下，沉积10?20min，得到CrN层，Cr层与CrN层的总厚度为200?400nm;

　　[0017](4)、CrBCN层制备:利用硼铬靶在真空室内进行沉积CrBCN层，真空室的本底真空度优于5X10—3Pa,硼铬靶由射频阴极控制，派射气氛采用Ar与他以及乙炔C2H2的混合气体，沉积气压为0.8?2Pa，基体温度200 °C?400 °C，溅射功率为280?400W，溅射时间为90?120min，革E基距为5cm，在过渡层的表面上沉积得到2?5μηι厚的CrBCN纳米复合结构保护性涂层。

　　[0018]步骤(2)中所述的离子清洗具体为:将所述基体装进真空室，抽真空后开Ar气，Ar气流量为20?50sccm，维持真空度在2?4Pa，采用射频电源对所述基体进行30min的离子轰击，功率为80?100W;硼铬靶的弧电流控制为70安培，铬靶的弧电流控制为70安培，轰击偏压控制为-350伏。

　　[0019]步骤(2)中超声波清洗机的频率为15?30kHz。

　　[0020]所述步骤(4)中，Ar气流量为20?50sccm，N2气流量为100?120sccm，乙炔C2H2气体流量为30?60sccmo

　　[0021]步骤(3)和(4)中，基体的温度范围为200 0C?400 V。

　　[0022]采用本发明所述工艺方法获得的CrBCN保护涂层由纳米CrN基体相和非晶BCN界面相两相组成，并且在涂层内部形成纳米复合结构，即BCN界面相包裹晶粒尺寸为5?1nm的CrN纳米等轴晶粒，利用BCN非晶相的分散效应降低CrN的内应力。利用BCN涂层非晶特性限制CrN涂层的晶粒生长，获取纳米晶状态的CrN，使CrN涂层具有良好的韧性。在该纳米复合结构下，位错运动难以开展。同时由于氮化铬过渡层的加入，使得该发明提高了薄膜与基体间的结合力和耐热性能，尤其改善了薄膜的硬度和耐磨性能，因此，所述CrBCN保护性涂层不但具有超过40GPa的高硬度，而且具有优良的抗高温氧化性和耐腐蚀能力，膜的膜/基结合力高达200N以上。本发明可作为高速干式切削刀具、模具等零件的涂层和其他领域承受磨损冲击等高载荷装备的保护性涂层。并且本发明所述制备方法具有工艺简单、沉积速度快、成本低等特点，生产效率高、能耗低、对设备要求较低。

　　【附图说明】

　　[0023]图1为本发明所使用的多靶磁控溅射仪的结构示意图；

　　[0024]图2为本发明所制备的CrBCN复合涂层截面形貌图；

　　[0025]图3为本发明所制备的CrBCN复合涂层的的表面形貌图。

　　【具体实施方式】

　　[0026]本发明以下实施例中所制备的高硬度CrBCN纳米复合结构保护性涂层，沉积覆盖于基体上，所述基体为硬质合金、不锈钢、高速钢、碳钢、模具钢或陶瓷。所述的保护性涂层与基体之间设置有过渡层，所述过渡层分为上下两层，与基体相接触的下层为金属结合层Cr，与保护性涂层相接触的上层为CrN，过渡层的厚度为200?400nm，所述保护性涂层为非晶BCN界面相包裹CrN纳米等轴晶粒的纳米复合结构，其厚度为2?5μηι。所述CrN纳米等轴晶粒的晶粒尺寸为5?10nm。

　　[0027]制备本发明所述的高硬度CrBCN纳米复合结构保护性涂层所用的仪器分别为:JGP-450型多靶磁控溅射仪和M308457超声波清洗机。