[发明专利]基体表面的富碳碳化铬纳米复合超硬自润滑涂层及其制备方法

说明书

本发明提供一种基体表面的富碳碳化铬纳米复合超硬自润滑涂层及其制备方法。该复合涂层由硬质相多晶CrC与润滑相纳米晶碳nc‑C组成，并且以多晶CrC为基质，nc‑C镶嵌在该多晶CrC基质中，形成“内晶型”的nc‑C/CrC复合涂层，该涂层硬度高达40GPa以上，磨损率达10^‑16m³/N·m量级。本发明采用多弧离子镀技术，以金属Cr为靶材，高纯Ar为工作气体，C₂H₂为反应气体制备该nc‑C/CrC复合涂层，通过控制基体负偏压调控涂层中CrC与碳的结晶状态和纳米团聚特征，在切削加工刀具以及其它机械运动零部件等领域具有良好的应用价值。

技术领域

本方法属于基体表面处理技术领域，尤其涉及一种基体表面的固体润滑复合涂层及其制备方法。

背景技术

碳化铬具有高硬度、高熔点、高弹性模量、耐化学腐蚀以及耐磨损等优良性能，是一种广泛应用的金属碳化物，当作为基体表面涂层材料应用时，在刀具、模具、叶片等领域发挥着重要作用。

近几年来，随着纳米技术的进步和涂层技术的发展，新型的纳米结构涂层逐步走向市场。新型纳米结构涂层综合具有高硬度、高韧性、高耐磨和高温抗氧化性等特点，已成为刀具等基体表面涂层发展的最新方向。纳米复合涂层是指涂层中纳米尺度的晶粒均匀弥散分布在晶态或非晶态的第二相基体中，形成蜂窝状的结构。纳米复合涂层最典型的结构是MeN/Si₃N₄，Me为过渡金属元素，如Ti、Cr、W、V等。

Veprek等采用PECVD方法制备的nc-TiN/a-Si₃N₄(TiSi₂)纳米复合涂层硬度达到了80-105GPa，但该结果重复性很差。

含Si元素的复合涂层中影响涂层力学性能的主要因素是Si含量。在nc-TiN/a-Si₃N₄复合涂层体系中，随着Si含量的增加，复合膜的硬度先升高后逐渐降低，在Si含量为4～10at.％时，TiN/Si₃N₄纳米复合涂层产生超硬效应，当Si含量为9at％时，硬度达到最大值45GPa。刘传胜等用多弧磁控溅射制备TiSiN纳米复合涂层，发现Si原子分数为6.3％时，涂层显微硬度40GPa，摩擦系数0.89。另外，在其它含Si元素的纳米复合涂层体系，如Cr-Si-N，Zr-Si-N以及Ti-Al-Si-N等中也发现了硬度异常升高的现象。H.C.Barshilia等人采用非平衡反应直流磁控溅射合成不同Si含量的CrSiN、CrAlSiN、TiAlSiN纳米复合涂层，结果显示在Si含量7.5％时，CrSiN和CrAlSiN涂层硬度达到最大值，分别是29GPa和32GPa。而TiAlSiN涂层在Si含量为6.9％时硬度最高，达到38GPa。

然而，目前构筑的含Si元素的纳米复合涂层常采用三元甚至四元体系，并且需要严格控制涂层中Si元素含量才能获得理想的涂层性能，这无疑增加了工艺控制的难度。另外，纳米复合涂层由于其超高的硬度而具有优异的耐磨性能，但是摩擦系数普遍较高，难以满足对润滑性能有较高要求的防护领域和使用工况，限制了其应用范围。

切削刀具表面涂层技术是近几十年来适应市场需求发展起来的材料表面改性技术。采用涂层技术可以有效提高切削刀具的使用寿命，使刀具获得优良的综合性能，从而大幅度提高机械加工效率。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供了一种基体表面的富碳碳化铬纳米复合超硬自润滑涂层，该复合涂层由硬质相多晶CrC与润滑相纳米晶碳(简称nc-C)组成，并且以多晶CrC为基质，nc-C镶嵌在该多晶CrC基质中，形成“内晶型”的nc-C/CrC复合涂层。该nc-C/CrC复合涂层具有如下优点：

(1)包含硬质相CrC与润滑相nc-C，不仅保持了CrC涂层高硬度、低磨损的特点，同时具有nc-C材料优异的自润滑特性；