[发明专利]一种提高硬质涂层与基体界面结合强度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及化工技术领域，特别是涉及一种提高刀具、模具及机械零部件等摩擦副零部件表面硬质涂层与基体界面结合强度的方法。

背景技术

固态涂层材料与基体的结合强度是关系涂层能否发挥其各种功能作用的关键因素，如何提高膜基结合强度一直是功能涂层（薄膜）材料领域的热点研究课题。通常的涂层与基体所组成的复合体系均是一种异质体系，涂层与基体在组成、结构及物理、化学性能上的差异必然导致界面处的不匹配和界面应力的产生，涂层中也会在制备过程中残留足够大的内应力。尤其是硬质涂层，其内应力难以在涂层内以变形方式松弛，从而在涂层内贮存大量弹性能，并作用于涂层与基体的界面上，带来膜基结合强度上的问题，最终引发涂层的脱落而导致体系的失效。

目前降低界面应力提高涂层/基体界面结合强度的主要技术手段包括：1)在界面间设置中间层、过度层、梯度层或多层膜；2)通过离子注入或热扩散在界面间形成混合区；3)基体表面预处理，如表面强化预处理、表面离子轰击或微粒子喷砂粗化预处理等，增强膜基界面机械咬合及体系承载能力。上述方法或单独使用或组合使用，已成为实际应用中最基本的方法。但是这些方法在提高界面结合强度方面仍有局限，对一些内部残余应力极高的超硬涂层仍不能满足其要求，特别是厚膜化要求。如立方氮化硼涂层由于内部存在极高的残余应力，当涂层厚度超过大约100nm时，就会爆裂破碎甚至完全脱落，致使立方氮化硼涂层至今都没有实现商业化应用。另一种比较常用的方法是涂层沉积后退火。这通常伴随一系列相变过程，使涂层性质发生改变，特别是大幅度降低涂层原有硬度，还会引起工件的变形。而且退火温度往往较高才有作用，这对于回火温度低的基体材料来说是不适用的。

低温或超低温处理是一种成熟的金属材料处理技术，是一种改善金属材料力学性能的有效途径。但是，目前还没有将低温或超低温处理应用于提高涂层与基体界面结合强度的研究报道。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种提高硬质涂层(薄膜)与基体界面结合强度的方法，使之可以解决通过高温退火消除硬质涂层/基体内部及界面应力时涂层及基体在高温下性能劣化的问题，在较低温度下提高涂层/基体界面结合强度的同时，维持或提高涂层/基体复合体系的综合力学性能或机械性能。

本发明的技术思路是，利用低温或超低温处理对复合体系内部及涂层与基体界面间应力场的影响，对其进行调整，使涂层与基体的界面应力得到完全或一定程度的松弛，从而提高复合体系的界面结合强度；同时利用低温或超低温条件下界面显微结构的变化达到提高界面结合强度的目的；另外，还利用低温或超低温处理在提高界面结合强度的同时，改善硬质涂层及其涂层/基体的力学或机械特性，包括硬度、强度、耐磨性等。

本发明一种提高硬质涂层与基体界面结合强度的方法，将硬质涂层/基体复合体系于-50℃～-273℃的低温或超低温下处理5～48小时；

所述的硬质涂层是指金属涂层、合金涂层或无机非金属涂层，包括氮化物涂层、金刚石涂层、非晶C涂层或碳化物涂层。

氮化物涂层是指TiN、CrN、TiAlN、TiSiN、CrAlTiN或BN等；

非晶C涂层是指类金刚石、非晶金刚石等；

碳化物涂层是指TiC或WC等。

为了达到提高界面结合强度的最优效果，结合采用低温或超低温处理前后的低温退火处理效果更好。

附图说明

图1 是TiN涂层/YW2硬质合金基体复合体系超低温处理前后的压痕形貌。

图2是超低温处理前后TiN涂层/YW2硬质合金基体复合体系的维氏硬度，灰色和红色分别表示处理前后的硬度值。

图3是 TiN涂层/不锈钢基体复合体系超低温处理前后的划痕形貌。

图4是超低温处理前后TiN涂层/不锈钢基体复合体系的维氏硬度，灰色和红色分别表示处理前后的硬度值。

图5 是DLC涂层/YW2硬质合金基体复合体系低温处理前后的压痕形貌。

图6是DLC涂层/YW2硬质合金基体复合体系低温处理前后的纳米压痕试验中的载荷-深度曲线。

图7是TiN涂层/YW2硬质合金基体复合体系超低温处理前后的大载荷条件下的压痕形貌

本发明的有益效果是：应用本发明方法，可使涂层/基体界面结合强度显著提高，一般可提高10%~50%、而又避免了采用传统的高温退火方法时，基体或涂层本身性能的劣化；同时，低温或超低温处理成本低，适用的涂层/基体复合体系种类广泛。

具体实施方式