專利名稱：一種高硬度低摩擦系數(shù)納米多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)鍍層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高硬度低摩擦系數(shù)納米多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)Cr-Si-N鍍層及其制備方法，屬于 材料制條技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
CrN由于具有良好的抗磨性、抗高溫氧化性和耐蝕性而引起人們的重視，CrN基鍍層中 可以添加Al、 Ti、 Mo、 Ta、 Nb、 W等元素，形成Cr-Al-N、 Cr-Ti'N、 Cr-Mo-N、 Cr-Ta-N、 CrNbN、 CrWN等三元鍍層。若添加上述元素后的三元(或多元)鍍層形成了多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)， 則該多層結(jié)構(gòu)氮化物鍍房能克嘩單一鍍層性能上的不足，并發(fā)揮不同添加組元的優(yōu)勢，達(dá)到 提高硬度、耐磨性和高溫性能的目的。
元素硅由于易與氮形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵非晶結(jié)構(gòu)化合物Si3N4,薄膜形態(tài)Si3N4相又具有高 硬度、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，近年來添加硅的氮化物硬質(zhì)鍍層引起了研究人員的關(guān)注。加 硅CrN基鍍層研究2002年以后才有文獻(xiàn)發(fā)表。研究者分別采用陰極弧、普通磁控濺射、鑲 嵌耙磁控濺射、非平衡磁控濺射等多種方法制備了不同結(jié)構(gòu)Cr-Si-N鍍層，但對(duì)CrN鍍層中 添加硅元素后引起的鍍層性能改變機(jī)制說法不一，且關(guān)于該類鍍層的硬度、彈性模量、韌性 等基本性能，以及膜塞結(jié)合強(qiáng)度、耐磨性、摩擦系數(shù)等使甩性能尚有待進(jìn)一步深入研究和改 進(jìn)。因此，有必要應(yīng)用當(dāng)前較為先進(jìn)的閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍方法，在盡量減小影 響因素的前提下，深入研究硅元素添加后CrN鍍層結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系，揭示其內(nèi)在機(jī)制，并最 終制備出具有優(yōu)異膜基結(jié)合強(qiáng)度、高硬度、低摩擦系數(shù)的可以工業(yè)化應(yīng)用的Cr-Si-N納米多 層調(diào)幅結(jié)構(gòu)新型鍍層。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的關(guān)鍵問題是優(yōu)化閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍方法制備含硅納米多 層調(diào)幅結(jié)構(gòu)鍍層時(shí)的工藝參數(shù)，提高鍍層結(jié)合強(qiáng)度和硬度，降低鍍層的摩擦系數(shù)，提供一種 新型耐磨、減摩硬質(zhì)鍍層及其制備方法。制備的鍍層材料具有納米多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)，調(diào)幅波長 小于5Qnm，硬度大于20GPa,最高超過3f)GPa，具有優(yōu)異的膜基結(jié)合強(qiáng)度(劃痕法測定臨界 載荷大于85N)，和WC球之間的摩擦系數(shù)小于孔5。該鍍層材料可以用于高載荷服役條件下 的機(jī)械零部件，以及機(jī)械如工行業(yè)的刀具和模具。
為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明內(nèi)容是一種高硬度低摩擦系數(shù)具有納米多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)的含硅CrN基鍍層制品，包 括基體和在基體表面磁控濺射離子鍍方法制備的鈹層，所屬鍍層為至少兩層的多層結(jié)構(gòu)Cr 基氮化物鍍層，鍍層沿基體表面垂直方向自里向外依次為Cr界面層、CrN過渡層、CrN和 Si^4交替排列的Cr-Si-N調(diào)幅結(jié)構(gòu)層，最外層是C'r-Si-N調(diào)幅結(jié)構(gòu)層。本發(fā)明鍍層為Cr基鍍
層，沿基體表面垂直方向自里向外的第一層為Cr界面附著層，其厚度為0.3-0.4pm。所述CrN 洋渡層厚度^J 1.5 3.5tun。所述CrN和Si3N4交替排列的Cr-Si-N調(diào)幅結(jié)構(gòu)層中CrN/Si3N4多 層調(diào)幅結(jié)構(gòu)的調(diào)幅波長為5 10nm。所述CrN和SbN4交替排列的Cr-Si-N調(diào)幅結(jié)構(gòu)層的總厚 度為1.5 3.5jim。
本發(fā)明所述具有納米多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)的含硅CrN基鍍層制品的硬度為20 35GPa，其鍍層 與基體間的用劃痕法測定的結(jié)合強(qiáng)度的臨界載荷太于85N。所述鍍層的用球盤磨損試驗(yàn)機(jī)測 定的比磨損率為1.5xlfT18 ll7xl(r18m3/N.m。所述鍍層的用球盤磨損試驗(yàn)機(jī)測定的與直徑 5mm的WC-6%Go球?qū)δr(shí)的摩擦系數(shù)為0.35 0:45。
本發(fā)明同時(shí)提供一種所述具有納米多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)的含硅高硬度、低摩擦系數(shù)CrN基鍍層 制品的制備方法，它是利用封閉磁場非平衡磁控濺射離子鍍方法進(jìn)行鍍制的，被鍍基體材料 放置于真空腔內(nèi)可旋轉(zhuǎn)的工件架上，基體周圍分別布置Cr靶和Si靶，所述磁控靶為一對(duì)Cr 矩形耙和一對(duì)Si矩形靶；濺射靶電流由直流磁控濺射電源提供恒定電流或恒定功率；在基體 和濺射靶之間施加直流脈沖負(fù)偏壓；鍍膜之前首先對(duì)基體表面用等離子體進(jìn)行轟擊清洗；沉 積a界面附著層時(shí)僅通入氬氣，沉積CrN過渡層和Cr-Si-N層時(shí)同時(shí)通入氬氣和氮?dú)?；沉積 CrN過渡層和Cr-Si-N層對(duì)氮?dú)獾牧髁坑弥糜贑r IE近表面的光發(fā)射譜裝置進(jìn)行閉環(huán)控制，以 精確調(diào)變縛層的成分。
本發(fā)明方法中Cr靶電流的輸入功率為2kW， Si靶電流的輸入功率在0.3 0.7kW范圍內(nèi) 變化，以調(diào)節(jié)鍍層中的硅含量。本發(fā)明方法中在沉積CrN過渡層和Ci>Si-N層時(shí)通入的氬氣 流量為10stcm。本發(fā)明方法中基體直流脈沖偏壓為-60V。
與現(xiàn)有的CrN基鍍層相比，本發(fā)明所制備的具有納米多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)的含硅高硬度、低摩 擦系數(shù)Cr-Si-N鍍層的優(yōu)點(diǎn)在于
(1) 在較低的鍍制溫度下(20(TC左右)可以獲得高結(jié)合強(qiáng)度的鍍層，可以在低回火溫 度的工模具或機(jī)械零部件等基體上進(jìn)行，膜；
(2) 鍍層致密，耐磨性好，在20N載荷下球盤瑪驗(yàn)機(jī)測定的比磨損率比單一erN基硬 質(zhì)鍍層低；
(3) 鍍層硬度高，在合適的含雍暈條件下，最高硬度可達(dá)35GPa;
(4) 鍍層韌性好，用維氏硬度計(jì)的四棱錐金剛石壓頭在25克載荷下的壓痕四角無裂紋；
(5) 鍍層摩擦系數(shù)低，比單一 CrN基硬質(zhì)鍍層低0.1-0.2;
(6) 采用了置于Cr靶近表面的光發(fā)射譜裝置對(duì)反應(yīng)濺射時(shí)的氮?dú)饬髁窟M(jìn)行閉環(huán)控制， 從而可以精確的鍍層成分；
(7) 制備方法簡單，工藝穩(wěn)定，可重復(fù)性高。


圖1為本發(fā)明所制得的Cr-Si-N鍍層的硅含量與硬度關(guān)系曲線圖2為本發(fā)明所制得的不同含硅量Cr-Si-N鍍層的X衍射譜蜀；
閨3為本發(fā)明所制得的不同含硅量Cr'Si-N鍍層的XRD小角掠射譜圖4為本發(fā)明實(shí)施例二所制得的Cr-Si-N鍍層的多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)電鏡照片；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例二所制得的Cr-Si-N高致密度鍍層表面的掃描電鏡圖； 圖6為本發(fā)明所制得的不同含硅量Cr-Si-N鍍層摩擦系數(shù)比較閨；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例一、二、三所制得的不同含硅量Cr-Si-N鍍層的劃痕試驗(yàn)后的劃痕 末端(80N載荷)照片；
圖8為本發(fā)明實(shí)施例一、二、三所制得的不同含硅量Cr-Si-N鍍層的球盤磨損試驗(yàn)后的 磨痕軌跡照片；
圖9為本發(fā)明實(shí)施例一、二、三所制得的不同含硅量Cr-Si-N鍍層的球盤磨辨試驗(yàn)后的 WC多磨球表面磨損照片。
圖IO為本發(fā)明實(shí)施例一、二、三所用閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備原理圖
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明中鍍層制品均在Teer UPD 650閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍?cè)O(shè)備上制備，設(shè)備 原理圖如附圖IO所示。
實(shí)施例一
將硬度為HRC61-63的M42高速鋼基體用lpm的金剛石研磨膏進(jìn)行拋光，并和(100) 單晶硅片一起在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗20分鐘，放入鍍層設(shè)備真空室的一軸旋轉(zhuǎn)試樣架 上(如圖10所示)。在5pOV偏壓條件下用等離子體轟擊清洗基體表面20分鐘，然后開始制 備Cr界面層，鍍制時(shí)背底真空度2xl0—2Torr，氬氣流量10sccm， Cr靶輸入功率2kW，偏壓 -60V,鍍制時(shí)間25min。接著通入氮?dú)忮冎艭rN過渡層，時(shí)間60min，其它參數(shù)與制備Cr界 面層時(shí)一樣。然后打開Si勒，Si靶輸入功率032kW，其它參數(shù)與上一個(gè)步驟一樣。在整個(gè) 鍍制過程中，脈沖偏壓的參數(shù)為頻率500kHz，脈沖寬度250ns，基體所在的一軸旋轉(zhuǎn)試樣架 的轉(zhuǎn)速是5rpm。
鍍層的硬度用MH-5維氏硬度計(jì)領(lǐng)!I量，選用努氏壓頭，載荷25g，保載時(shí)間10s，每一試 樣在不同位置測量6點(diǎn)取平均值。
鍍層厚度分別用球坑儀和斷面掃描電鏡測定。
鍍層耐磨性和摩擦系數(shù)用球盤磨損試驗(yàn)機(jī)測量，對(duì)磨材料為直徑5mm的WC-6%Co硬質(zhì) 合金球，相對(duì)滑動(dòng)速度120m/min，載荷20N,磨損時(shí)間30min。
用TeerST2200劃痕儀定量測量鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，載荷從10N加到85N，滑動(dòng)速度10 mm/min。
鍍層表面和斷面形貌用用S4700F場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)觀測鍍層斷口形貌。 磁層成分分析用GDS750輝光放電光電子譜儀(GDOES)測量。 用X射線衍射儀(XRD)雄行相結(jié)構(gòu)分析，Cu靶輻射，管壓35kV，管流40mA。
實(shí)施例二
將Si靶輸入功率調(diào)節(jié)成0.40kW，其它所有實(shí)施過程和參數(shù)同實(shí)施例一。
實(shí)施例三
將Si靶輸入功率調(diào)節(jié)成0.48kW，其它所有實(shí)施過程和參數(shù)同實(shí)施例一。
權(quán)利要求
1.一種高硬度、低摩擦系數(shù)鍍層制品，包括基體和在基體表面氣相沉積的鍍層，其特征在于所述鍍層為至少兩層的多層結(jié)構(gòu)Cr基氮化物多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)鍍層，鍍層結(jié)構(gòu)為沿基體表面垂直方向自里向外依次為Cr界面層、CrN過渡層、CrN和Si3N4交替排列的Cr-Si-N調(diào)幅結(jié)構(gòu)層，最外層是Cr-Si-N調(diào)幅結(jié)構(gòu)層。
2、 如權(quán)利要求1所述的高硬度、低摩擦系數(shù)鍍層制品，其特征在于所述鍍層的硬度為 20 40GPa，其^層與基體間的用劃痕法測定的結(jié)合強(qiáng)度的臨界載荷大于85N。
3、 如權(quán)利要求〗所述的高硬度、低摩擦系數(shù)鍍層第f品，其特征在于所述鍍層的用球盤 磨損試驗(yàn)機(jī)測定的比磨損率為1.5X 10"8 U7X l(T18m3/N.m。
4、 如權(quán)利要求3所述的高硬度、低摩擦系數(shù)鍍層制品，其特征在于所述鍍層的用球盤 磨損試驗(yàn)機(jī)測定的與直徑5mm的WC-6%Co球?qū)δr(shí)的摩擦系數(shù)為0.30 0.45。
5、 一種制備如權(quán)利要求l-4之任一所述的高聘度、低摩擦系數(shù)鍍層制品的方法，它是利 用封閉磁場非平衡磁控濺射離子鍍方法進(jìn)行鍍制的，被鍍基體材料放置于真空腔內(nèi)可旋轉(zhuǎn)的 工件架上，基體周圍分別布置Cr靶和Si靶，其特征在于所述磁控靶為一對(duì)Cr靶和一對(duì)Si 靶；濺射靶電流由直流磁控濺射電源提供；在基體和濺射靶之間施加直流脈沖負(fù)偏壓；鍍膜 之前首先對(duì)基體表面用等離子體進(jìn)行轟擊清洗；沉積Cr界面附著層時(shí)僅通入氬氣，沉積CrN 過渡層和Cr-Si-N層時(shí)同時(shí)通入氬氣和氮?dú)?；通過控制Cr靶和Si靶電流來調(diào)節(jié)鍍層中的Cr 和Si的含量。
全文摘要
本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)，具體是一種高硬度低摩擦系數(shù)納米多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)鍍層及其制備方法。采用閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍方法鍍制Cr-Si-N鍍層。制備時(shí)Cr靶電流的輸入功率為2kW，Si靶電流的輸入功率在0.3～0.7kW范圍內(nèi)變化，以調(diào)節(jié)鍍層中的硅含量。在沉積CrN過渡層和Cr-Si-N層時(shí)通入的氬氣流量為10sccm，基體直流脈沖偏壓為-60V。沉積CrN過渡層和Cr-Si-N層時(shí)氮?dú)獾牧髁坑弥糜贑r靶近表面的光發(fā)射譜裝置進(jìn)行閉環(huán)控制，以精確調(diào)變鍍層的成分。鍍層具有納米多層調(diào)幅結(jié)構(gòu)，從基體向外依次為Cr界面層、CrN過渡層、CrN和Si₃N₄交替排列的Cr-Si-N調(diào)幅結(jié)構(gòu)層，最外層是Cr-Si-N調(diào)幅結(jié)構(gòu)層。其中外層Cr-Si-N調(diào)幅結(jié)構(gòu)層的調(diào)幅波長小于50nm，硬度大于20GPa，最高超過30GPa，具有優(yōu)異的膜基結(jié)合強(qiáng)度(劃痕法測定臨界載荷大于85N)，和WC球之間的摩擦系數(shù)小于0.5。該鍍層材料可以用于高載荷服役條件下的機(jī)械零部件，以及機(jī)械加工行業(yè)的刀具和模具。
文檔編號(hào)C23C14/14GK101367286SQ20081009563
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月27日
發(fā)明者徐雪波, 鮑明東 申請(qǐng)人:寧波工程學(xué)院