[發(fā)明專利]具有氮化物膜的復(fù)合材料及其制法和應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410209191.2
• 申請(qǐng)日: 2014-05-16
• 公開（公告）號(hào): CN103952660B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李金龍;王蕊;王永欣;魯俠;王立平;薛群基
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所
• 主分類號(hào): C23C8/24
• 分類號(hào): C23C8/24;C23C8/36;C23C14/22;C23C28/04;B32B9/04
• 代理公司: 上海一平知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司31266
• 代理人: 馬莉華,崔佳佳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及部件表面保護(hù)領(lǐng)域，特別涉及一種氮化物膜及其制法和應(yīng)用

背景技術(shù)

目前裝備制造業(yè)正朝著高速、高載、高精密和綠色加工方向發(fā)展，對(duì)裝備關(guān)鍵部件的可靠性和長壽命提出更高的要求。發(fā)展先進(jìn)裝備關(guān)鍵部件的表面強(qiáng)化和防護(hù)技術(shù)是降低裝備關(guān)鍵零部件摩擦功耗、延長服役壽命和提高其可靠性的關(guān)鍵技術(shù)。通過氣相沉積制備的薄膜結(jié)構(gòu)致密，具有高硬度和高膜基結(jié)合力的特點(diǎn)，但氣相沉積的薄膜很難制備厚膜。因此，用于高速和高載零部件的表面防護(hù)很容易失效。滲氮處理雖然可以形成厚度為幾百微米的氮化物層，但該氮化層的硬度不高，大多低于1200HV。

目前尚缺乏令人滿意的、具有高硬度和高膜基結(jié)合力的保護(hù)膜，因此，本領(lǐng)域迫切需要開發(fā)能高硬度和高膜基結(jié)合力的保護(hù)膜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種具有高硬度和高膜基結(jié)合力氮化物膜的復(fù)合材料。

在本發(fā)明的第一方面，提供了一種復(fù)合材料，所述復(fù)合材料包括基材以及位于所述基材的至少一個(gè)表面上的氮化物膜，所述氮化物膜包括位于所述基材上的第一氮化物層以及位于所述第一氮化物層之上的第二氮化物層，其中，第二氮化物層的厚度與第一氮化物層的厚度之比為2～30：50～100，且所述氮化物膜的總厚度為20～200微米(較佳地30～150微米)，并且第二氮化物層的硬度H2大于第一氮化物層的硬度H1。

在另一優(yōu)選例中，H2與H1的比值≥1.5，較佳地≥2。

在另一優(yōu)選例中，所述的H2硬度為20～50GPa。

在另一優(yōu)選例中，所述的H1硬度為8～12GPa。

在另一優(yōu)選例中，所述第一氮化物層是通過滲氮形成，和/或所述的第二氮化物層是通過氣相沉積工藝形成。

在另一優(yōu)選例中，所述的滲氮包括氣體滲氮、離子滲氮、或其組合。

在另一優(yōu)選例中，所述的氣相沉積包括：物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、或其組合。

在另一優(yōu)選例中，所述第二氮化物層包括：TiN層、CrN層、TiCN層、TiAlN層，或其組合。

在另一優(yōu)選例中，具有選自下組的一個(gè)或多個(gè)特征：

所述氮化物膜的總厚度為30～100μm；

所述第一氮化物層的厚度為50～100μm；

所述第二氮化物層的厚度為2～30μm；

所述氮化物膜的硬度為20～50GPa。

在另一優(yōu)選例中，所述的基材包括：鋼材、純鈦、鈦合金，或其組合。

本發(fā)明第二方面，提供了一種制品，所述制品包括如本發(fā)明第一方面所述的復(fù)合材料，或由本發(fā)明第一方面所述的復(fù)合材料制成。

在另一優(yōu)選例中，所述的制品包括零部件和工模具。

本發(fā)明第三方面，提供了一種如本發(fā)明第一方面所述的復(fù)合材料的制備方法，所述方法包括以下步驟：

(a)提供一基材；

(b)通過滲氮在基材表面生成第一氮化物層；

(c)通過氣相沉積工藝，在所述第一氮化物層表面形成第二氮化物層，從而得到本發(fā)明第一方面所述的復(fù)合材料。

在另一優(yōu)選例中，所述步驟(b)包括：通過氣體滲氮在基材表面生成第一氮化物層。

在另一優(yōu)選例中，所述氣體滲氮包括：

將所述基材進(jìn)行清洗后風(fēng)干；

將清洗風(fēng)干后的所述基材裝入可抽真空的熱處理爐中；

對(duì)所述熱處理爐進(jìn)行抽真空處理后向爐內(nèi)充入含氮?dú)怏w；

將所述熱處理爐升溫至滲氮溫度，使所述基材表面滲入氮元素生成第一氮化物層，得到具有基材-第一氮化物層結(jié)構(gòu)的物體。

在另一優(yōu)選例中，在使所述基材表面滲入氮元素生成第一氮化物層后，將所述具有基材-第一氮化物層結(jié)構(gòu)的物體隨爐冷卻。

在另一優(yōu)選例中，所述氣體滲氮包括選自下組的一個(gè)或多個(gè)特征：

所述熱處理爐進(jìn)行抽真空并控制背底真空低于8×10^-3Pa；

向熱處理爐中充入含氮?dú)怏w，并控制該熱處理爐內(nèi)的氣壓為0.05～0.1MPa；

所述滲氮溫度為450～800℃；

所述滲氮時(shí)間為1～8h。

在另一優(yōu)選例中，所述含氮?dú)怏w包括選自下組的氣體：氮?dú)狻睔猓蚱浣M合。

在另一優(yōu)選例中，所述含氮?dú)怏w包括選自下組可提高滲氮效果的氣體：氫氣、氬氣，或其組合。

在另一優(yōu)選例中，所述步驟(c)包括：

對(duì)所述具有基材-第一氮化物層結(jié)構(gòu)的物體進(jìn)行噴砂和清洗處理；

將所述具有基材-第一氮化物層結(jié)構(gòu)的物體裝入真空鍍膜設(shè)備中；