[發(fā)明專利]Cr/CrN/CrAlSiN/CrAlTiSiN納米多層梯度膜及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811137034.X
• 申請日: 2018-09-28
• 公開（公告）號: CN109295425B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李楊;何霞文;張尚洲
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳市奧美特納米科技有限公司;煙臺大學(xué)
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/16;C23C14/06
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發(fā)明提出的一種Cr/CrN/CrAlSiN/CrAlTiSiN納米多層梯度膜及其制備方法，屬于氮化膜技術(shù)領(lǐng)域。本納米多層梯度膜是通過多弧離子鍍方法，在低合金鋼或模具鋼基體上，由依次沉積的Cr打底層、CrN過渡層、CrAlSiN過渡層和CrAlTiSiN膜層組成；該納米多層梯度膜的總厚度為1.5?4.2μm；Cr、Al、Ti、Si元素的總含量范圍分別為30at％?34at％、20at％?28at％、10at％?14at％、3at％?5at％；該納米多層梯度膜的膜基結(jié)合力為35?45N，摩擦系數(shù)為0.01?0.02，納米硬度為35?40Gpa。本方法通過改變基體負偏壓，各中間層的沉積時間以及靶的轉(zhuǎn)換，得到獲得高韌、摩擦系數(shù)低以及耐磨性良好的梯度納米多層膜。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氮化膜技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種Cr/CrN/CrAlSiN/CrAlTiSiN納米多層梯度膜及其制備方法。

背景技術(shù)

在眾多涂層制備技術(shù)當(dāng)中，采用多弧離子鍍技術(shù)制備的涂層具有膜基結(jié)合力強、沉積速率高、涂層致密、結(jié)合力強和工藝參數(shù)易于調(diào)節(jié)等優(yōu)點，是制備硬質(zhì)膜的重要方法。隨著加工設(shè)備使用效率的提高，高速切削已成為機械加工的主流。然而，在高速高載荷等極端工況條件下，硬質(zhì)膜刀具常因劇烈的摩擦磨損而失效，迫切需要進一步提高刀具表面硬質(zhì)膜的綜合力學(xué)性能及耐磨損性能。

CrN薄膜具有高硬度、良好的膜基結(jié)合力和抗高溫氧化性能、以及優(yōu)異的耐磨性等，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ挠操|(zhì)氮化物薄膜。為了實現(xiàn)更具有吸引力的性能，已經(jīng)研究了將其他元素摻雜到CrN中。在CrN中添加其他合金元素，如Al、Ti、Si等形成的多元涂層、多層涂層和納米技術(shù)涂層，在保持CrN單一涂層優(yōu)異性能的同時，還具有更高的硬度和耐磨性、更好的化學(xué)穩(wěn)定性、更高的膜基結(jié)合力、更好的抗化學(xué)腐蝕性等各類綜合性能，具有很高的應(yīng)用前景。其中Si元素的加入，使得涂層具有了更高的硬度和耐磨性；Al元素的加入提高了膜層的抗高溫氧化性，且CrN溶解大量的Al元素，可以細化晶粒，提高涂層的硬度。在涂層中加入Ti元素能夠提高硬度和膜基結(jié)合力。具體原理為：通過在基體中添加各種元素，采用過渡層或中間層獲得多層或梯度膜來改善薄膜的結(jié)構(gòu)與性能，通過一層或多層的過渡層作用于基體材料和硬質(zhì)鍍層材料之間來提高膜層的膜基結(jié)合力，使晶粒細化，提高塑性變形能力，阻止裂紋繼續(xù)擴展，提高了膜層的韌性和強度。薄膜和過渡層組成了穩(wěn)定的耐磨損、耐沖擊的強化區(qū)，提高了韌性，從而使薄膜的使用性能增強。

目前，硬質(zhì)氮化物薄膜(特別是用于刀具的硬質(zhì)氮化物薄膜)的研究工作大多局限于薄膜微結(jié)構(gòu)的分析以及硬度和膜基結(jié)合性能的提高方面，而針對硬質(zhì)膜在高速干摩擦等惡劣工作條件下使用時的耐磨損特征卻鮮有研究。

再如，申請?zhí)枮?01710218848.5的專利公開了一種運用高功率脈沖磁控濺射技術(shù)在金屬或合金基體上沉積Al-Cr-Si-N納米復(fù)合涂層，運用磁控濺射技術(shù)制得的納米復(fù)合涂層具有較差的膜基結(jié)合力，容易造成膜層脫落。

又如，申請?zhí)枮?01511003559.0的專利公開了鋼工件表面上運用空心陰極電子束輔助脈沖偏壓多弧離子鍍技術(shù)制備(Cr，Al，Si)N功能梯度納米多層涂層。運用該空心陰極電子束輔助脈沖偏壓多弧離子鍍技術(shù)，其裝置和工藝處理過程都很復(fù)雜，且涂層局部存在性能差異。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提供一種Cr/CrN/CrAlSiN/CrAlTiSiN納米多層梯度膜及其制備方法，本發(fā)明的納米多層梯度膜具有超低的摩擦系數(shù)和更優(yōu)異的膜基結(jié)合力，多層和梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計的膜層能夠大幅度的延長基體的使用壽命。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明提出的一種Cr/CrN/CrAlSiN/CrAlTiSiN納米多層梯度膜，其特征在于，該納米多層梯度膜是通過多弧離子鍍方法，在低合金鋼或模具鋼基體上，由依次沉積的Cr打底層、CrN過渡層、CrAlSiN過渡層和CrAlTiSiN膜層組成；