[發(fā)明專(zhuān)利]一種Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310174222.0
• 申請(qǐng)日: 2013-05-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104141107A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-11-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃峰;郭軍;李艷玲;孟凡平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
• 主分類(lèi)號(hào): C23C14/06
• 分類(lèi)號(hào): C23C14/06;C23C14/35
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 33224
• 代理人: 劉誠(chéng)午

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及耐磨涂層及其制備領(lǐng)域，具體涉及一種Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層及其制備方法。

背景技術(shù)

摩擦是我們經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，世界上有三分之一到二分之一的能源被摩擦消耗掉，而且損壞機(jī)器和工程結(jié)構(gòu)，降低工作效率。在機(jī)器及器件的表面涂覆耐磨涂層已成為降低摩擦損耗的一種有效途徑。至今，尋找和研制耐磨涂層一直是材料技術(shù)專(zhuān)家的一項(xiàng)重要任務(wù)。

研究人員發(fā)現(xiàn)通過(guò)向金屬氮化物（例如：CrN、TiN、AlN等）中摻雜適當(dāng)量的金屬元素（例如：Ni、Ag、Cu等），制備得到硬質(zhì)相/軟質(zhì)相納米復(fù)合涂層，涂層的硬度、耐磨性和韌性等力學(xué)性能得到不同程度的改善。常見(jiàn)的過(guò)渡金屬氮化物、碳化物、硼化物等涂層具有高的硬度，但韌性相對(duì)較低。金屬具有較好的塑性和韌性，但硬度較低。

塊體AlN的硬度只有12GPa左右，傳統(tǒng)上不用作耐磨涂層。但是，在AlN加入適量的金屬相，可以提高AlN涂層的綜合性能，已有的研究主要集中于提高涂層的硬度上。如J.Musil等人在573K，直流偏壓為-100V的條件下制備了Al-Cu-N涂層，當(dāng)P_N2小于0.09Pa時(shí)，涂層由Al₂Cu和AlN相構(gòu)成，而當(dāng)P增加到0.12Pa或更高時(shí)，形成的是非晶態(tài)的涂層，涂層硬度降低。

通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)作進(jìn)一步的檢索和分析，還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)磨損率低于4.0×10^-16m³/Nm納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層。

申請(qǐng)公布號(hào)為CN102534493A的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)了一種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的V-Al-N硬質(zhì)涂層及其制備方法，其中，納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的V-Al-N硬質(zhì)涂層包括晶體結(jié)構(gòu)的AlN連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由晶體結(jié)構(gòu)的AlN連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與晶體結(jié)構(gòu)的AlN連續(xù)相形成共格界面，其成分表示為（V_1-xAl_x）N，其中，1-x為0.41～0.6，x為0.4～0.59，。該納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的V-Al-N硬質(zhì)涂層制備：采用磁控濺射技術(shù)，通過(guò)直流陰極濺射金屬V，中頻陰極上濺射Al，并與真空室中N₂氣反應(yīng)生成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的V-Al-N硬質(zhì)涂層。但是該納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的V-Al-N硬質(zhì)涂層的硬度和摩擦性能需要進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層，耐磨性好。

一種Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層，由AlN晶體相和Cu晶體相組成，其中，Cu晶體相分散在AlN晶體中，Cu晶體相和AlN晶體相之間的界面以Cu-Al鍵鍵合；

所述的Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層中各元素的原子百分含量如下：

Al和N??????74.6%～89%；

Cu?????????11%～25.4%；

其中，Al和N的原子比為0.9～1：1。

當(dāng)Cu的原子百分含量低于11%時(shí)，涂層中，Cu以非晶態(tài)存在，在使用過(guò)程中，由于溫度的升高非晶態(tài)的Cu會(huì)發(fā)生結(jié)晶化過(guò)程，因此，影響涂層的穩(wěn)定，Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層的耐磨性能不佳，當(dāng)Cu的原子百分含量高于25.4%時(shí)，涂層的硬度大幅度降低，影響涂層的耐磨損性能，當(dāng)Cu的原子百分含量為11.0%～25.4%時(shí)，Al和N的原子比為0.9～1：1，本發(fā)明Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層具有高耐磨性。

作為優(yōu)選，所述的Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層中各元素的原子百分含量如下：

Al和N??????80%～89%；

Cu?????????11%～20%。

Cu的原子百分含量控制在11%～20%，在該原子百分含量下形成的Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層，其缺陷性減少，降低了Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高了Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層的硬度。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述的Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層中各元素的原子百分含量如下：

Al和N??????82.1%～85.3%；

Cu?????????14.7%～17.9%；

其中，Al和N的原子比為1：1。

根據(jù)實(shí)施例2、3、6、7、12制備的Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層可知，該條件下的Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層具有非常優(yōu)異的耐磨損性能，并具有良好的硬度。

更一步優(yōu)選，所述的Al-Cu-N耐磨硬質(zhì)涂層中各元素的原子百分含量如下：

Al?????????41.15%；