[发明专利]具有氮化物膜的复合材料及其制法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及部件表面保护领域，特别涉及一种氮化物膜及其制法和应用

背景技术

目前装备制造业正朝着高速、高载、高精密和绿色加工方向发展，对装备关键部件的可靠性和长寿命提出更高的要求。发展先进装备关键部件的表面强化和防护技术是降低装备关键零部件摩擦功耗、延长服役寿命和提高其可靠性的关键技术。通过气相沉积制备的薄膜结构致密，具有高硬度和高膜基结合力的特点，但气相沉积的薄膜很难制备厚膜。因此，用于高速和高载零部件的表面防护很容易失效。渗氮处理虽然可以形成厚度为几百微米的氮化物层，但该氮化层的硬度不高，大多低于1200HV。

目前尚缺乏令人满意的、具有高硬度和高膜基结合力的保护膜，因此，本领域迫切需要开发能高硬度和高膜基结合力的保护膜。

发明内容

本发明提供了一种具有高硬度和高膜基结合力氮化物膜的复合材料。

在本发明的第一方面，提供了一种复合材料，所述复合材料包括基材以及位于所述基材的至少一个表面上的氮化物膜，所述氮化物膜包括位于所述基材上的第一氮化物层以及位于所述第一氮化物层之上的第二氮化物层，其中，第二氮化物层的厚度与第一氮化物层的厚度之比为2～30：50～100，且所述氮化物膜的总厚度为20～200微米(较佳地30～150微米)，并且第二氮化物层的硬度H2大于第一氮化物层的硬度H1。

在另一优选例中，H2与H1的比值≥1.5，较佳地≥2。

在另一优选例中，所述的H2硬度为20～50GPa。

在另一优选例中，所述的H1硬度为8～12GPa。

在另一优选例中，所述第一氮化物层是通过渗氮形成，和/或所述的第二氮化物层是通过气相沉积工艺形成。

在另一优选例中，所述的渗氮包括气体渗氮、离子渗氮、或其组合。

在另一优选例中，所述的气相沉积包括：物理气相沉积、化学气相沉积、或其组合。

在另一优选例中，所述第二氮化物层包括：TiN层、CrN层、TiCN层、TiAlN层，或其组合。

在另一优选例中，具有选自下组的一个或多个特征：

所述氮化物膜的总厚度为30～100μm；

所述第一氮化物层的厚度为50～100μm；

所述第二氮化物层的厚度为2～30μm；

所述氮化物膜的硬度为20～50GPa。

在另一优选例中，所述的基材包括：钢材、纯钛、钛合金，或其组合。

本发明第二方面，提供了一种制品，所述制品包括如本发明第一方面所述的复合材料，或由本发明第一方面所述的复合材料制成。

在另一优选例中，所述的制品包括零部件和工模具。

本发明第三方面，提供了一种如本发明第一方面所述的复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：

(a)提供一基材；

(b)通过渗氮在基材表面生成第一氮化物层；

(c)通过气相沉积工艺，在所述第一氮化物层表面形成第二氮化物层，从而得到本发明第一方面所述的复合材料。

在另一优选例中，所述步骤(b)包括：通过气体渗氮在基材表面生成第一氮化物层。

在另一优选例中，所述气体渗氮包括：

将所述基材进行清洗后风干；

将清洗风干后的所述基材装入可抽真空的热处理炉中；

对所述热处理炉进行抽真空处理后向炉内充入含氮气体；

将所述热处理炉升温至渗氮温度，使所述基材表面渗入氮元素生成第一氮化物层，得到具有基材-第一氮化物层结构的物体。

在另一优选例中，在使所述基材表面渗入氮元素生成第一氮化物层后，将所述具有基材-第一氮化物层结构的物体随炉冷却。

在另一优选例中，所述气体渗氮包括选自下组的一个或多个特征：

所述热处理炉进行抽真空并控制背底真空低于8×10^-3Pa；

向热处理炉中充入含氮气体，并控制该热处理炉内的气压为0.05～0.1MPa；

所述渗氮温度为450～800℃；

所述渗氮时间为1～8h。

在另一优选例中，所述含氮气体包括选自下组的气体：氮气、氨气，或其组合。

在另一优选例中，所述含氮气体包括选自下组可提高渗氮效果的气体：氢气、氩气，或其组合。

在另一优选例中，所述步骤(c)包括：

对所述具有基材-第一氮化物层结构的物体进行喷砂和清洗处理；

将所述具有基材-第一氮化物层结构的物体装入真空镀膜设备中；