專利名稱：一種高硬度低摩擦系數納米多層調幅結構鍍層及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高硬度低摩擦系數納米多層調幅結構Cr-Si-N鍍層及其制備方法，屬于 材料制條技術領域。
背景技術：
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)鍍層形成了多層調幅結構， 則該多層結構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)定的共價鍵非晶結構化合物Si3N4,薄膜形態(tài)Si3N4相又具有高 硬度、抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)點，近年來添加硅的氮化物硬質鍍層引起了研究人員的關注。加 硅CrN基鍍層研究2002年以后才有文獻發(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構Cr-Si-N鍍層，但對CrN鍍層中 添加硅元素后引起的鍍層性能改變機制說法不一，且關于該類鍍層的硬度、彈性模量、韌性 等基本性能，以及膜塞結合強度、耐磨性、摩擦系數等使甩性能尚有待進一步深入研究和改 進。因此，有必要應用當前較為先進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鍍層結構和性能關系，揭示其內在機制，并最 終制備出具有優(yōu)異膜基結合強度、高硬度、低摩擦系數的可以工業(yè)化應用的Cr-Si-N納米多 層調幅結構新型鍍層。

發(fā)明內容
本發(fā)明需要解決的關鍵問題是優(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 層調幅結構鍍層時的工藝參數，提高鍍層結合強度和硬度，降低鍍層的摩擦系數，提供一種 新型耐磨、減摩硬質鍍層及其制備方法。制備的鍍層材料具有納米多層調幅結構，調幅波長 小于5Qnm，硬度大于20GPa,最高超過3f)GPa，具有優(yōu)異的膜基結合強度(劃痕法測定臨界 載荷大于85N)，和WC球之間的摩擦系數小于孔5。該鍍層材料可以用于高載荷服役條件下 的機械零部件，以及機械如工行業(yè)的刀具和模具。
為解決上述問題，本發(fā)明采用如下技術方案
本發(fā)明內容是一種高硬度低摩擦系數具有納米多層調幅結構的含硅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構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調幅結構層，最外層是C'r-Si-N調幅結構層。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調幅結構層中CrN/Si3N4多 層調幅結構的調幅波長為5 10nm。所述CrN和SbN4交替排列的Cr-Si-N調幅結構層的總厚 度為1.5 3.5jim。
本發(fā)明所述具有納米多層調幅結構的含硅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合強度的臨界載荷太于85N。所述鍍層的用球盤磨損試驗機測 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機測定的與直徑 5mm的WC-6%Go球對磨時的摩擦系數為0.35 0:45。
本發(fā)明同時提供一種所述具有納米多層調幅結構的含硅高硬度、低摩擦系數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行鍍制的，被鍍基體材料 放置于真空腔內可旋轉的工件架上，基體周圍分別布置Cr靶和Si靶，所述磁控靶為一對Cr 矩形耙和一對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偏壓；鍍膜之前首先對基體表面用等離子體進行轟擊清洗；沉 積a界面附著層時僅通入氬氣，沉積CrN過渡層和Cr-Si-N層時同時通入氬氣和氮氣；沉積 CrN過渡層和Cr-Si-N層對氮氣的流量用置于Cr IE近表面的光發(fā)射譜裝置進行閉環(huán)控制，以 精確調變縛層的成分。
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 變化，以調節(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。
與現有的CrN基鍍層相比，本發(fā)明所制備的具有納米多層調幅結構的含硅高硬度、低摩 擦系數Cr-Si-N鍍層的優(yōu)點在于
(1) 在較低的鍍制溫度下(20(TC左右)可以獲得高結合強度的鍍層，可以在低回火溫 度的工模具或機械零部件等基體上進行，膜；
(2) 鍍層致密，耐磨性好，在20N載荷下球盤瑪驗機測定的比磨損率比單一erN基硬 質鍍層低；
(3) 鍍層硬度高，在合適的含雍暈條件下，最高硬度可達35GPa;
(4) 鍍層韌性好，用維氏硬度計的四棱錐金剛石壓頭在25克載荷下的壓痕四角無裂紋；
(5) 鍍層摩擦系數低，比單一 CrN基硬質鍍層低0.1-0.2;
(6) 采用了置于Cr靶近表面的光發(fā)射譜裝置對反應濺射時的氮氣流量進行閉環(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)明實施例二所制得的Cr-Si-N鍍層的多層調幅結構電鏡照片；
圖5為本發(fā)明實施例二所制得的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鍍層摩擦系數比較閨；
圖7為本發(fā)明實施例一、二、三所制得的不同含硅量Cr-Si-N鍍層的劃痕試驗后的劃痕 末端(80N載荷)照片；
圖8為本發(fā)明實施例一、二、三所制得的不同含硅量Cr-Si-N鍍層的球盤磨損試驗后的 磨痕軌跡照片；
圖9為本發(fā)明實施例一、二、三所制得的不同含硅量Cr-Si-N鍍層的球盤磨辨試驗后的 WC多磨球表面磨損照片。
圖IO為本發(fā)明實施例一、二、三所用閉合磁場非平衡磁控濺射離子鍍設備原理圖
具體實施例方式
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設備上制備，設備 原理圖如附圖IO所示。
實施例一
將硬度為HRC61-63的M42高速鋼基體用lpm的金剛石研磨膏進行拋光，并和(100) 單晶硅片一起在丙酮溶液中進行超聲波清洗20分鐘，放入鍍層設備真空室的一軸旋轉試樣架 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,鍍制時間25min。接著通入氮氣鍍制CrN過渡層，時間60min，其它參數與制備Cr界 面層時一樣。然后打開Si勒，Si靶輸入功率032kW，其它參數與上一個步驟一樣。在整個 鍍制過程中，脈沖偏壓的參數為頻率500kHz，脈沖寬度250ns，基體所在的一軸旋轉試樣架 的轉速是5rpm。
鍍層的硬度用MH-5維氏硬度計領!I量，選用努氏壓頭，載荷25g，保載時間10s，每一試 樣在不同位置測量6點取平均值。
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用球盤磨損試驗機測量，對磨材料為直徑5mm的WC-6%Co硬質 合金球，相對滑動速度120m/min，載荷20N,磨損時間30min。
用TeerST2200劃痕儀定量測量鍍層的結合強度，載荷從10N加到85N，滑動速度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)雄行相結構分析，Cu靶輻射，管壓35kV，管流40mA。
實施例二
將Si靶輸入功率調節(jié)成0.40kW，其它所有實施過程和參數同實施例一。
實施例三
將Si靶輸入功率調節(jié)成0.48kW，其它所有實施過程和參數同實施例一。
權利要求
1.一種高硬度、低摩擦系數鍍層制品，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構Cr基氮化物多層調幅結構鍍層，鍍層結構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調幅結構層，最外層是Cr-Si-N調幅結構層。
2、 如權利要求1所述的高硬度、低摩擦系數鍍層制品，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合強度的臨界載荷大于85N。
3、 如權利要求〗所述的高硬度、低摩擦系數鍍層第f品，其特征在于所述鍍層的用球盤 磨損試驗機測定的比磨損率為1.5X 10"8 U7X l(T18m3/N.m。
4、 如權利要求3所述的高硬度、低摩擦系數鍍層制品，其特征在于所述鍍層的用球盤 磨損試驗機測定的與直徑5mm的WC-6%Co球對磨時的摩擦系數為0.30 0.45。
5、 一種制備如權利要求l-4之任一所述的高聘度、低摩擦系數鍍層制品的方法，它是利 用封閉磁場非平衡磁控濺射離子鍍方法進行鍍制的，被鍍基體材料放置于真空腔內可旋轉的 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Cr靶和一對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偏壓；鍍膜 之前首先對基體表面用等離子體進行轟擊清洗；沉積Cr界面附著層時僅通入氬氣，沉積CrN 過渡層和Cr-Si-N層時同時通入氬氣和氮氣；通過控制Cr靶和Si靶電流來調節(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，具體是一種高硬度低摩擦系數納米多層調幅結構鍍層及其制備方法。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范圍內變化，以調節(jié)鍍層中的硅含量。在沉積CrN過渡層和Cr-Si-N層時通入的氬氣流量為10sccm，基體直流脈沖偏壓為-60V。沉積CrN過渡層和Cr-Si-N層時氮氣的流量用置于Cr靶近表面的光發(fā)射譜裝置進行閉環(huán)控制，以精確調變鍍層的成分。鍍層具有納米多層調幅結構，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調幅結構層，最外層是Cr-Si-N調幅結構層。其中外層Cr-Si-N調幅結構層的調幅波長小于50nm，硬度大于20GPa，最高超過30GPa，具有優(yōu)異的膜基結合強度(劃痕法測定臨界載荷大于85N)，和WC球之間的摩擦系數小于0.5。該鍍層材料可以用于高載荷服役條件下的機械零部件，以及機械加工行業(yè)的刀具和模具。
文檔編號C23C14/14GK101367286SQ20081009563
公開日2009年2月18日 申請日期2008年4月27日 優(yōu)先權日2008年4月27日
發(fā)明者徐雪波, 鮑明東 申請人:寧波工程學院