[发明专利]一种CN-MCN超硬自润滑纳米复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及薄膜材料领域，特别涉及一种CN-MCN超硬自润滑纳米复合涂层及其制备方法。

背景技术

高强度和超高强度材料、高韧性、难切削等新材料层出不穷，如各种新型高强度金属基复合材料、纤维和颗粒增强复合材料、有色金属以及非金属材料等在航空航天、造船、汽车等领域的广泛应用，对于切削刀具提出了新的要求：高速、高精度、高效、智能和环保成为切削加工的追求目标。将超硬涂层材料镀于切削刀具表面，正适应了现代制造业对切削刀具的高技术要求，不但切削刀具基体保持了其较高的强度，镀于表面的超硬复合涂层又能发挥“超硬、强韧、耐磨、自润滑”的优势，从而大大提高切削刀具在加工过程中的耐用度和适应性。

自20世纪60年代末第一代化学气相沉积TiC硬质合金刀片问世以来，涂层技术对刀具上成功应用，被誉为高速钢刀具性能的一场革命。从此，涂层技术取得了飞速的发展，涂层工艺越来越成熟，涂层刀具应用范围越来越广泛。西方工业发达国家使用的涂层刀具占可转位刀片的比例已有1978年的26%上升到2005年的90%，新型的数控机床所用的刀具中80%左右是涂层刀具。

最常用的多元刀具涂层是TiCN为主的涂层。TiCN涂层兼有TiC和TiN涂层的良好韧性和硬度，它在涂覆过程中可通过连续改变C和N的成份来控制TiCN的性质，并可形成不同成份的梯度结构，降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层厚度，阻止裂纹扩展，减少崩刃。涂层技术不断地在发展，九十年代中期，中温化学气相沉积(MT-CVD)新技术的出现，使CVD技术发生了革命性变革。MT-CVD技术是以有机物乙腈作为主要反应气体，在700度以下生成TiCN涂层。这种TiCN涂层方法有效控制了很脆的G相(Co₃W₃C)生成，提高了涂层的耐磨性、抗热震性及韧性。研究表明在PVD沉积TiCN涂层时适当增加离子束轰击也可明显提高涂层的硬度及耐磨性。近年来，以TiCN为基的四元成分新涂层材料(如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等)也纷纷出现。随着金属切削加工朝高切削速度、高给进速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性方面发展，对表面涂层的要求越来越高。

氮化碳(CN）薄膜具有高硬度、低摩擦系数和高热稳定性的特点，是一种最新型的超硬材料，其理论硬度接近金刚石，有望在在某些场合取代金刚石材料。研究表明当切削高硬度难加工材料时，氮化碳具有明显的优势。目前CNx薄膜制备方法很多，常用的制备方法有振荡波压缩、高压热解、离子注入、低能离子辐射、离子束沉积、反应溅射、化学气相沉积、激光烧蚀、脉冲激光诱导、电化学沉积和电弧放电。目前国内外对氮化碳涂层已经进行了大量研究，但由于CN涂层应力大，容易从基体上剥落，一直未获得大规模的工业应用。

发明内容

本发明的目的在于克服背景中存在的不足，提供一种CN-MCN超硬自润滑纳米复合涂层及其制备方法。

本发明产品的技术方案如下：

在基体表面有从内到外由结合层、过渡层、支撑层、润滑层依次构成的复合涂层，其中：结合层的材料为过渡金属M，其中M为Ti、Cr、Zr或Mo；过渡层的材料为M的氮化物，即MN；支撑层的材料为M的渐变碳氮化物，即MCxN，其中0<x≤1；润滑层的材料为氮化碳与M的碳氮化物形成的复合涂层，即CN-MCN。

为进一步提高本发明产品的性价比：

1）结合层厚度为10-100纳米；过渡层厚度为100-1000纳米；支撑层厚度为100-2000纳米；润滑层厚度为1-5微米；

2）所述的基体为硬质合金、不锈钢、高速钢、碳钢或模具钢；

3）所述润滑层中MCN为纳米晶，晶粒尺寸为3-20nm；CN为非晶相，CN含量为1-20at%。

本发明的制备方法的技术方案是：其特征在于由下述步骤依次形成：

1）在基体表面沉积结合层，该结合层的材料为过渡金属M层；其中M为Ti、Cr、Zr或Mo；

2）在上步得到的结合层上沉积过渡层，该过渡层的材料为M的氮化物，即MN；

3）在上步得到的过渡层上沉积支撑层，该支撑层的材料为M的渐变碳氮化物，即MCxN，其中0<x≤1；

4）在上步得到的支撑层上沉积润滑层，该润滑层的材料为氮化碳与M的碳氮化物形成的复合涂层，即CN-MCN；自然冷却，即得。

为进一步提高本发明方法的工效和质量，可进一步将各步骤的具体条件选择在：