[发明专利]一种TiSiN/CNx纳米多层涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料学领域，涉及一种保护性涂层，特别是一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiN/CN_x纳米多层涂层及其制备方法。

背景技术

先进制造业的飞速发展，对材料的表面性能提出了越来越高的要求，不仅要求材料表面具有较高的硬度，还要求其具有耐磨、耐腐蚀和耐高温性能。纳米多层膜是一种十分特殊的纳米结构超硬薄膜，性能好、成本低，是目前最具有应用前景的有效措施。它的发展适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，可被广泛应用于机械制造、汽车工业、地质钻探、模具工业等领域。随着高速切削、干式切削等先进切削技术的不断发展，对刀具涂层的性能也提出了更高的要求，传统的刀具涂层，如TiN、CrN、TiAlN涂层已逐渐不能满足要求。在刀具等表面涂覆一层具有超高硬度、低摩擦系数的纳米多层涂层，可减小摩擦磨损，大大延长工件寿命，节约成本，提高经济效益。

早在1970年，Koehler就首先提出了纳米多层膜的概念，是由两种材料以纳米量级交替沉积形成的多层涂层，因其在物理性能与力学性能的异常表现而得到了广泛的关注。他还预测纳米结构的多层膜在一定的调制周期下具有硬度异常升高的现象。1977年，Yang等从实验中发现两种金属组成的纳米多层膜具有硬度异常升高的超硬效应，如Au/Ni，Cu/Pd；1987年在由两种氮化物组成的陶瓷纳米多层膜中也发现了硬度异常升高的超硬效应。陶瓷材料本来就是具有很高的硬度，曾经有人报道过陶瓷纳米多层膜的硬度可高达50GPa，甚至有望超过金刚石和立方氮化硼（c-BN）。近年来的研究发现，纳米多层涂层出现超硬效应时存在着两层交替沉积生长的“模板效应”。在这种效应下，两种不同晶体结构的组成层中的一层(称为附属调制层)会在另一层(称为模板调制层)的“模板效应”下转变成与其晶体结构相同的亚稳相，从而实现两层的共格外延生长，同时纳米多层涂层呈现超硬效应。

通过查文献得知，纳米多层涂层目前已经通过多种方法成功制得，在诸多体系中也获得了超硬效应，对该类涂层的研究也取得了不少有益的成果。通过查询，检索到如下有关纳米多层涂层的中国专利：

申请号为CN201110138010.8 的专利涉及了高硬度高弹性模量TiAlN/AlON纳米多层涂层及其制备方法，所述涂层由多个TiAlN层和AlON层构成,各TiAlN层和AlON层交替沉积在基体上,其总厚度为1.5~2.0μm。其制备方法首先将基体表面抛光处理,经超声波清洗和离子清洗后,再采用反应溅射法在基体上交替溅射TiAlN层和AlON层。本发明的TiAlN/AlON纳米多层涂层不但具有高于35GPa的硬度和高于350GPa的弹性模量,还具有抗高温氧化性能,可作为高速切削刀具及其它高温条件下服役耐磨工件的保护涂层,其制备方法具有工艺简单、沉积速度快、成本低、结合强度高等优点。

申请号为CN200910055596.4 的专利涉及了VC/Si₃N₄纳米多层涂层及其制备方法，属于陶瓷涂层领域。VC/Si₃N₄高硬度纳米多层涂层由VC层和Si₃N₄层交替沉积在金属、硬质合金或陶瓷基底上形成，VC层的厚度为2~8nm，Si₃N₄层厚为0.2~0.9nm。本发明涂层制备如下:首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理,然后通过在金属或陶瓷的基体上采用双靶射频反应溅射方法交替沉积VC层和Si₃N₄层,制取VC/Si₃N₄纳米多层涂层,其中VC采用VC靶直接溅射得到,而Si₃N₄采用直接溅射Si₃N₄化合物靶材提供。本发明所得的VC/Si₃N₄纳米多层涂层不但具有优良的高温抗氧化性,而且具有高于40GPa的硬度。本发明作为高速切削刀具尤其是高速切削的铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。