[发明专利]一种基体表面的高韧性抗氧化减磨涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料表面镀膜技术领域，尤其涉及一种基体表面的高韧性抗氧化减磨涂层及其制备方法。

背景技术

随着国家先进制造业的发展，很多硬质粘性材料如钛合金、镍合金的广泛使用对传统的硬质合金或者高速钢刀具提出了前所未有的挑战。虽然以TiN为代表的PVD陶瓷刀具涂层在提高各种合金的加工效率过程中获得了广泛的应用，以及随后的TiC、TiCN、ZrN、TiAlN、AlTiN、TiAlCN、CrAlN、nc-TiN/a-Si₃N₄等涂层被开发并获得应用，但是因为切削过程中的高温对涂层的氧化、切屑对涂层的粘着磨损、以及涂层本身的脆性问题，上述合金的难加工问题并没有得到彻底解决。例如，虽然亚稳定结构的TiAlN、CrAlN涂层具有高硬度和良好的抗高温氧化性能，显著提高了机械加工效率、延长了刀具使用寿命，在切削刀具领域获得广泛使用，然而其较高的脆性以及与钛合金高的摩擦系数，不但限制了TiAlN、CrAlN等在高速、断续、干切削以及上述难切削合金的加工，还限制了其在高精度模具及其它耐磨减磨工件涂层方面的应用。

类金刚石碳，其英文名称为Diamond like carbon，简称为DLC，是无定形碳的一种，无定形碳的英文表述为Amorphous Carbon，简称为a-C。DLC的主要结构是C-C之间通过sp²共价键和sp³共价键形成的不规则空间网状结构。小于0.1的低摩擦系数是DLC在摩擦磨损应用中的基础，这归因于摩擦过程中高温高压引起DLC石墨化。但是DLC较低的膜基结合力和只有300℃的抗高温能力限制了其在刀具涂层方面的应用，研究表明通过掺入Ti、Cr、W等过渡金属元素被证明能有效降低DLC的内应力，主要是TiC、CrC等聚集降低无序键角的畸变，以及形成纳米晶部分阻断了sp³畸变区的内应力积累，从而可以在一定程度上提高DLC的膜基结合力。

如何进一步降低CrAlN、TiAlN、DLC等涂层的脆性，突破当前刀具涂层内应力过大、涂层与基体结合力差的问题，防止涂层被磨损之前因韧性太差被剥离是上述涂层需要继续完善的目标。

在陶瓷材料的增韧研究中，增加裂纹在材料中的传播路径，通过更多微裂纹形成过程中新界面对能量的吸收被证明是一项行之有效的增韧方法，现实中防震玻璃受震裂而不碎、砖头相互交错形成的砖墙能抵抗一定冲击的例子也是如此。实现裂纹扩展路径增加的方法之一就是在硬脆陶瓷颗粒之间加入少量连续的无定形的第二相形成陶瓷复合材料，将裂纹从通过硬脆相晶粒的穿晶断裂改为通过硬脆相与无定形相界面的沿晶断裂，或者改为通过无定形相界面之间的断裂或者相对滑移。目前，工业上较为成熟的陶瓷复合材料涂层主要有德国慕尼黑工业大学利用化学气相沉积制备纳米晶TiN嵌入无定形Si₃N₄中形成的nc-TiN/a-Si₃N₄复合涂层，Platit，Balzers等涂层公司开发的阴极电弧制备nc-TiN/a-Si₃N₄，其抗高温氧化性能和韧性得到了显著提高。但是在实际生产中，nc-TiN/a-Si₃N₄复合涂层的高摩擦系数导致切削过程中产生大量热量，涂层刀具前刀面依然产生积屑瘤。实际以nc-TiAlCN/a-C复合涂层形式存在的TiAlCN涂层在保持较高韧性的同时，其摩擦系数能够低至0.3，是硬质耐磨涂层减磨性能提高的典范，但是nc-TiAlCN/a-C复合涂层的耐高温氧化性能相对较低。

因此，制备一种能结合nc-TiN/a-Si₃N₄和nc-TiAlCN/a-C等复合材料的共同优点如高韧性，以及nc-TiN/a-Si₃N₄复合涂层的高的耐高温氧化性能和nc-TiAlCN/a-C₄复合涂层的低摩擦系数的减磨功能的新型复合涂层，对进一步提高刀模具服役寿命和加工精度十分必要。

发明内容

本发明的技术目的是针对现有涂层材料体系的不足，提供一种基体表面的高韧性抗氧化减磨涂层及其制备方法。