[發(fā)明專利]一種硬質(zhì)涂層及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110263799.X
• 申請(qǐng)日: 2011-09-07
• 公開（公告）號(hào): CN102296269A
• 公開（公告）日: 2011-12-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 仇越秀;張善勇;李波;杜兆富;趙棟梁
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 鋼鐵研究總院
• 主分類號(hào): C23C14/06
• 分類號(hào): C23C14/06;C23C14/35
• 代理公司: 北京銘碩知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11286
• 代理人: 劉燦強(qiáng)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于表面工程技術(shù)，具體地講，涉及一種具有高溫自潤(rùn)滑功能的硬質(zhì)涂層及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著制造業(yè)發(fā)展需求的變化，對(duì)切削加工的要求日趨提高。目前，高速、高效、高精度、智能和環(huán)保的綠色加工技術(shù)成為機(jī)械制造業(yè)的追求目標(biāo)。高效的切削工具是保證綠色加工技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。

在技術(shù)上而言，改善切削工具(例如，刀具)設(shè)計(jì)、制造工藝和材料存在很大的困難。為了滿足現(xiàn)代切削加工對(duì)刀具性能的要求，開發(fā)了刀具涂層技術(shù)。刀具涂層技術(shù)的使用可大幅度地提高切削刀具的綜合性能，使切削工具使用壽命延長(zhǎng)大約2-3倍，并使加工效率提高大約50％。近年來(lái)，又提出了摩擦學(xué)涂層設(shè)計(jì)的概念，摩擦學(xué)涂層設(shè)計(jì)在理論上可有效地改善切削刀具的高溫性能，使具有涂層的切削刀具可以應(yīng)用于高速、環(huán)保的綠色切削加工技術(shù)。

綠色切削加工技術(shù)在不使用或只使用少量切削液的條件下進(jìn)行高速切削，從而可以保護(hù)環(huán)境和降低成本。在綠色切削加工的高速切削過(guò)程中會(huì)不可避免地存在2個(gè)摩擦副，即，由前刀面與切屑組成的摩擦副和由后刀面與工件組成的摩擦副。因此，刀具的前刀面與切屑及其后刀面與工件接觸并發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦，其中，在接觸區(qū)的壓力可高達(dá)1GPa以上，切削溫度可高達(dá)1000℃以上。在這種無(wú)潤(rùn)滑劑、高速摩擦和高溫條件下，現(xiàn)有的硬質(zhì)涂層材料極易氧化、磨損而失效。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種具有高溫自潤(rùn)滑性能、抗氧化和/或抗磨損的硬質(zhì)涂層以及該硬質(zhì)涂層的制備方法。

本發(fā)明的一方面提供了一種硬質(zhì)涂層，所述硬質(zhì)涂層包括形成在基底上的Cr金屬涂層以及在Cr金屬涂層上由MeN和CrAlN形成的MeN-CrAlN涂層，Me為W和V中的一種或兩種。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，Cr金屬涂層的厚度可以為10nm-100nm，優(yōu)選地，Cr金屬涂層的厚度可以為20nm-60nm。MeN-CrAlN涂層的厚度可以為1μm-5μm，優(yōu)選地，MeN-CrAlN涂層的厚度可以為2μm-3μm。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，MeN-CrAlN涂層可以是Cr_aAl_bMe_cN復(fù)合物涂層，其中，a+b+c＝1，0.1≤a≤0.7，0.2≤b≤0.7，0.2≤c≤0.6，優(yōu)選地，0.2≤a≤0.5，0.4≤b≤0.7，0.2≤c≤0.5。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，MeN-CrAlN涂層可以包括多個(gè)由MeN涂層和Cr_xAl_1-xN涂層疊置形成的MeN/Cr_xAl_1-xN重復(fù)單元，其中，0.1≤x≤0.7，優(yōu)選地，0.3≤x≤0.5。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，每個(gè)MeN/Cr_xAl_1-xN重復(fù)單元的厚度可以為5nm-20nm，在每個(gè)MeN/Cr_xAl_1-xN重復(fù)單元中，Cr_xAl_1-xN涂層和MeN涂層的厚度比可以在1-10的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，每個(gè)MeN/Cr_xAl_1-xN重復(fù)單元的厚度可以為10nm-15nm，在每個(gè)MeN/Cr_xAl_1-xN重復(fù)單元中，Cr_xAl_1-xN涂層和MeN涂層的厚度比可以在3-6的范圍內(nèi)。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，MeN-CrAlN涂層的硬度可以大于或等于30GPa，MeN-CrAlN涂層在700℃時(shí)的摩擦系數(shù)可以小于或等于0.25。

本發(fā)明的另一方面提供了一種上述硬質(zhì)涂層的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：a)對(duì)基體進(jìn)行清潔；b)在磁控濺射設(shè)備中和惰性氣體氣氛下將基體加熱至25℃-400℃；c)通過(guò)Cr靶在基體上濺射Cr金屬涂層；d)通過(guò)Cr靶、Al靶和Me靶在氮?dú)夂投栊詺怏w的氣氛下在Cr金屬涂層上濺射MeN-CrAlN涂層，Me為W和V中的一種或兩種。

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，Cr金屬涂層的厚度可以為10nm-100nm，優(yōu)選地，Cr金屬涂層的厚度可以為20nm-60nm。MeN-CrAlN涂層的厚度可以為1μm-5μm，優(yōu)選地，MeN-CrAlN涂層的厚度可以為2μm-3μm。