[发明专利]一种高温耐磨CrAlSiON基纳米复合涂层及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明属于材料涂层领域，具体涉及一种高温耐磨CrAlSiON基纳米复合涂层及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，在工模具、机械零部件等产品上涂覆金属氮化物来提高产品表面性能和使用寿命的方法已经成为一种广泛应用的表面改性技术。涂层的制备技术主要有化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)两类，但是CVD技术存在反应气体会腐蚀设备、环境污染等一系列问题，因此自九十年代中期以来物理气相沉积(PVD)技术得到了迅猛发展。随着PVD技术的进步，硬质涂层经历了以下四个发展阶段：(1)简单二元涂层(TiN、TiC)；(2)三元或四元固溶涂层(TiAlN、TiCN、TiAlCN等)；(3)多层或超晶格结构涂层(TiN/TiC/TiN多层、TiN/TiAlN/TiN多层、TiN/AlN超晶格等)；(4)纳米复合结构涂层(TiSiN、TiAlSiN等)。新型的纳米复合结构涂层，由于Si元素的掺入形成了非晶态的Si₃N₄包裹着纳米尺寸的金属氮化物晶体，使得涂层具有超高硬度(>40GPa)、高韧性、优异的高温稳定性和热硬性(>1000℃)、符合现代制造业对涂层的高硬度、高韧性以及高耐磨性的要求。

一般工业型硬质涂层沉积设备，真空度基本在10^-3量级，因此涂层会含有一定量的氧杂质，这些氧杂质影响涂层的结构和性能。过高的真空度势必增加设备和工艺成本，不利于涂层的广泛推广使用。传统的硬质涂层的摩擦系数较高，在摩擦过程中不仅会加剧磨损，而且在高温环境下会导致涂层产生氧化、热疲劳等现象。

高性能的涂层刀具已经得到了广泛的应用，是切削加工中重要的环节之一。第四代纳米复合结构涂层(TiSiN、TiAlSiN等)，由于纳米晶体的强化效应及非晶层限制晶粒的滑移和转动对纳米晶晶界的强化作用，涂层表现出传统硬质涂层难以达到的高硬度，从而能适应高速切削条件下对硬质涂层的苛刻要求。但MeSiN(Me：Ti，Cr等)纳米复合的推广和应用还存在着大量丞待解决的问题，比如在切削条件下涂层的抗裂纹扩展能力以及抗高温氧化性能差等。因此，提高氧氮化物涂层高的韧性以及硬度成为亟需解决的问题，目前，含有氧元素且低成本的新型CrAlSiON基纳米复合涂层尚未见报道。

发明内容

本发明的目在于克服现有技术的缺陷，提供一种高温耐磨CrAlSiON基纳米复合涂层。该涂层具有应力低、膜-基结合力强、抗高温摩擦磨损性能和热稳定性能良好的高温耐磨损的优点。

本发明的另一目的在于提供一种上述高温耐磨CrAlSiON基纳米复合涂层的制备方法。该方法采用具有离化率高、涂层沉积速度高、膜基结合力强的特点的阴极电弧离子镀工艺，制备方法简单，可操作性强，可控性好，降低了对镀膜设备真空度的要求，适用于高硬度钢的高速切削加工，具有较好的经济效益。

本发明的再一目的在于提供上述高温耐磨CrAlSiON基纳米复合涂层的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种高温耐磨CrAlSiON基纳米复合涂层，包括AlTiN过渡层、CrAlSiN支撑层和CrAlSiON功能层。

优选地，所述AlTiN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Al:25～35at.％，Ti:15～20at.％，N:25～45at.％；所述CrAlSiN支撑层中各元素的原子百分比含量为：Al:25～30at.％，Cr:20～25at.％，Si:1～10at.％，N:45～50at.％；所述CrAlSiON功能层中各元素的原子百分比含量为：Al:20～35at.％，Cr:10～20at.％，Si:2～12at.％，O:5～43at.％，N:10～53at.％。

优选地，所述AlTiN过渡层、CrAlSiN支撑层和CrAlSiON功能层的厚度分别为1.5～3.5μm、0.5～2.5μm和0.5～2.5μm。

上述高温耐磨CrAlSiON基纳米复合涂层的制备方法，包括下述具体步骤：

S1.金属基体清洗：将金属基体抛光处理，然后先后用丙酮和酒精超声清洗10～20min，再用氮气吹干后装入真空室内；