本發(fā)明屬于材料表面工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含鉬復合氮化物減摩鍍層，本發(fā)明還涉及該鍍層的制備方法。

背景技術(shù)：

過渡族金屬氮化物硬質(zhì)鍍層，因其高硬度和良好的耐磨性已被應(yīng)用于刀具的表面處理。其中應(yīng)用最為廣泛的CrAlN、TiAlN、CrTiAlN等鍍層刀具較未鍍層刀具的使用壽命延長了2～5倍。近年來，高速干切削技術(shù)因不使用切削液避免環(huán)境污染同時具有較高的生產(chǎn)效率已經(jīng)成為機械加工的主流發(fā)展趨勢。在高速干切削的條件下，CrAlN、TiAlN、CrTiAlN等鍍層高摩擦系數(shù)加劇了鍍層氧化磨損，導致了鍍層的快速失效。因此有必要研發(fā)具有低摩擦系數(shù)的硬質(zhì)鍍層來滿足高速干切削技術(shù)對刀具使用性能的要求。

傳統(tǒng)的固體潤滑材料所構(gòu)成的鍍層(如DLC、MoS₂鍍層)或由其與氮化物構(gòu)成的復合減摩鍍層(如TiCN、MoS₂/TiN鍍層)的適用溫度均小于400℃，無法應(yīng)用于高速干切削技術(shù)。研究表明氮化鉬在高溫下能夠形成具有潤滑效果的氧化產(chǎn)物，可以顯著降低摩擦系數(shù)，能夠解決刀具在高速干切削應(yīng)用中遇到的問題。但氮化鉬易于氧化，不適宜作為鍍層材料單獨使用，因此將氮化鉬添加到CrTiAlN鍍層中制備出具有潤滑減摩效果的硬質(zhì)鍍層對于機械加工行業(yè)有著直接和重要的經(jīng)濟效益。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種含鉬復合氮化物減摩鍍層，解決了現(xiàn)有鍍層無法無法適應(yīng)高速干切削技術(shù)的問題。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種含鉬復合氮化物減摩鍍層的制備方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種含鉬復合氮化物減摩鍍層，該鍍層為具有層狀周期結(jié)構(gòu)的CrTiAlN/MoN鍍層，鍍層的調(diào)制周期為3nm～8nm。

本發(fā)明的特點還在于，

該鍍層中Mo元素占鍍層原子質(zhì)量百分比為10％～15％，鍍層厚度3.0μm～4.0μm。

本發(fā)明所采用的第二個技術(shù)方案是，一種含鉬復合氮化物減摩鍍層的制備方法，具體步驟如下：

步驟1、抽真空階段：將待鍍層的工件清洗干燥后放入由金屬鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶組成的閉合場磁控濺射離子鍍設(shè)備中，鉻靶和鉬靶、鈦靶和鋁靶分別對靶放置，并將真空室抽真空；

步驟2、離子轟擊清洗階段：通入氬氣，調(diào)整工件負偏壓；同時開啟鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶，對工件和靶材進行離子轟擊清洗；

步驟3、鍍膜階段：通入氮氣，調(diào)整鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶電流進行鍍膜，鍍膜完成后，待爐溫冷卻至室溫，取出工件。

本發(fā)明的特點還在于，

步驟1中真空室抽真空至3×10^-3～5×10^-3Pa。

步驟2中氬氣流量為18～22sccm，靶電流設(shè)定為0.3～0.5A，工件負偏壓為-400～-350V。

步驟2中偏壓電源脈沖頻率為100～250KHz，脈沖寬度為500～1000ns，離子轟擊清洗時間為15～25min。

步驟3中鉻靶電流為3.5A～4.5A、鈦靶電流為5～6A、鋁靶電流為5～6A、鉬靶電流為3～5A。

步驟3中工件負偏壓調(diào)整為-60V～-75V，偏壓電源的脈沖頻率為200～250KHz，脈沖寬度為400～500ns，工件架轉(zhuǎn)速為4r/min～8r/min，鍍膜時間為90min～120min。

本發(fā)明的有益效果是，

1)本發(fā)明采用金屬靶同氮氣反應(yīng)磁控濺射的方法沉積鍍層，通過調(diào)節(jié)靶電流和工件架轉(zhuǎn)速可精確調(diào)控鍍層的周期結(jié)構(gòu)，使鍍層適用于不同的應(yīng)用環(huán)境。

2)本發(fā)明所制備的含鉬復合氮化物減磨鍍層具有層狀周期結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)不但保證了鍍層具有高硬度和高結(jié)合力，還有利于摩擦磨損過程中潤滑相氧化鉬的形成，實現(xiàn)鍍層的潤滑減摩。

3)本發(fā)明所制備的含鉬復合氮化物減磨鍍層，與傳統(tǒng)的氮化物鍍層相比，在室溫～700℃下都具有更低的摩擦系數(shù)和比磨損率，可滿足高速干切削技術(shù)對刀具鍍層耐磨性和熱性能的要求。

4)本發(fā)明提出的含鉬復合氮化物減摩鍍層的制備方法，工藝簡捷穩(wěn)定、產(chǎn)量大，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明含鉬復合氮化物鍍層為具有層狀的周期結(jié)構(gòu)CrTiAlN/MoN鍍層，鍍層調(diào)制周期為3nm～8nm，鍍層中鉬元素占鍍層原子百分比為10％～15％，鍍層厚度為3μm～4μm，硬度為2600HV～3300HV，鍍層的摩擦系數(shù)在0.25～0.4，比磨損率3～8×10^-17m³/Nm。

本發(fā)明采用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍的方法制備鍍層，主要制備過程為：首先將待鍍層的工件在超聲清洗設(shè)備中清洗干燥后放入真空室中，然后抽真空，然后通氬氣、進行離子轟擊清洗，最后通氮氣、沉積鍍層，待真空室溫度降到室溫后取出工件。

通氬氣前需要將真空室抽到3×10^-3Pa～5×10^-3Pa，氬氣流量為18～22sccm；

在離子轟擊清洗階段，工件上加載的負偏壓為-400V～-350V，偏壓電源脈沖頻率為100～250KHz，脈沖寬度為500～1000ns，時間為15～25min，同時開啟鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶，靶電流設(shè)定為0.3A～0.5A；

在鍍膜階段，通入氮氣，氮氣的通入量采用OPM控制，OPM的參數(shù)設(shè)置范圍為45％～55％，調(diào)整鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶電流分別至3.5A～4.5A，5～6A，5～6A和3～5A，工件負偏壓調(diào)整為-60V～-75V，偏壓電源的脈沖頻率為200～250KHz，脈沖寬度為400～500ns，工件架轉(zhuǎn)速為4r/min～8r/min，鍍膜時間為90min～120min。

本發(fā)明解決的技術(shù)關(guān)鍵在于制備具有層狀周期結(jié)構(gòu)的CrTiAlN/MoN鍍層，通過調(diào)節(jié)靶電流和工件架的轉(zhuǎn)速來精確調(diào)控鍍層的周期結(jié)構(gòu)，使得所制備的鍍層在高溫下既保持高硬度又具有低摩擦系數(shù)和比磨損率。該鍍層適合對應(yīng)用于高速干切削中的刀具進行表面處理，可提高刀具切削加工性能并延長刀具的使用壽命。同時該鍍層的制備方法工藝簡潔穩(wěn)定，工序少，可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

實施例1

將工件清洗干燥后放入真空室中，抽真空至5.0×10^-3Pa后，通入氬氣，氬氣流量為22sccm；在工件上加載負偏壓為-400V，脈沖頻率為250KHz，脈沖寬度為500ns，鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶流均調(diào)整為0.5A，離子轟擊清洗25min；將工件負偏壓調(diào)整為-60V，脈沖頻率為250KHz，脈沖寬度為500ns，工件架轉(zhuǎn)速為4r/min，調(diào)整鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶電流分別至4.5A，6A，6A和5A，通入氮氣，OPM的設(shè)定值為55％，鍍層沉積時間為120min。

實施例1得到的鍍層調(diào)制周期為8nm，鍍層中Mo元素占鍍層原子百分比為15.0％，鍍層厚度為4μm，硬度為2600HV，摩擦系數(shù)為0.33，比磨損率為7.2×10^-17m³/Nm。

實施例2

將工件清洗干燥后放入真空室中，抽真空至4.5×10^-3Pa后，通入氬氣，氬氣流量為20sccm；在工件上加載負偏壓為-400V，脈沖頻率為200KHz，脈沖寬度為600ns，鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶流均調(diào)整為0.4A，離子轟擊清洗20min；將工件負偏壓調(diào)整為-65V，脈沖頻率為200KHz，脈沖寬度為400ns，工件架轉(zhuǎn)速為5r/min，調(diào)整鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶電流分別至4.5A，6A，6A和5A，通入氮氣，OPM的設(shè)定值為50％，鍍層沉積時間為100min。

實施例2得到的鍍層調(diào)制周期為7.2nm，鍍層中Mo元素占鍍層原子百分比為15.0％，鍍層厚度為3.2μm，硬度為2800HV，摩擦系數(shù)為0.37，比磨損率為6.3×10^-17m³/Nm。

實施例3

將工件清洗干燥后放入真空室中，抽真空至3.8×10^-3Pa后，通入氬氣，氬氣流量為20sccm；在工件上加載負偏壓為-350V，脈沖頻率為250KHz，脈沖寬度為800ns，鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶流均調(diào)整為0.3A，離子轟擊清洗20min；將工件負偏壓調(diào)整為-60V，脈沖頻率為250KHz，脈沖寬度為450ns，工件架轉(zhuǎn)速為6r/min，調(diào)整鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶電流分別至3.5A，5A，5A和4A，OPM的設(shè)定值為45％，鍍層沉積時間為120min。

實施例3得到的鍍層調(diào)制周期為4.8nm，鍍層中Mo元素占鍍層原子百分比為13.9％，鍍層厚度為3.3μm，硬度為3100HV，摩擦系數(shù)為0.29，比磨損率為4.5×10^-17m³/Nm。

實施例4

將工件清洗干燥后放入真空室中，抽真空至3.0×10^-3Pa后，通入氬氣，氬氣流量為18sccm；在工件上加載負偏壓為-350V，脈沖頻率為250KHz，脈沖寬度為1000ns，鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶流均調(diào)整為0.5A，離子轟擊清洗20min；將工件負偏壓調(diào)整為-60V，脈沖頻率為250KHz，脈沖寬度為500ns，工件架轉(zhuǎn)速為6r/min，調(diào)整鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶電流分別至4A，5A，5A和3A，OPM的設(shè)定值為48％，鍍層沉積時間為120min。

實施例4得到的鍍層調(diào)制周期為5.2nm，鍍層中Mo元素占鍍層原子百分比為11.5％，鍍層厚度為3.4μm，硬度為3300HV，摩擦系數(shù)為0.25，比磨損率為3.0×10^-17m³/Nm。

實施例5

將工件清洗干燥后放入真空室中，抽真空至5.0×10^-3Pa后，通入氬氣，氬氣流量為18sccm；在工件上加載負偏壓為-400V，脈沖頻率為150KHz，脈沖寬度為800ns，鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶流均調(diào)整為0.4A，離子轟擊清洗15min；將工件負偏壓調(diào)整為-75V，脈沖頻率為200KHz，脈沖寬度為400ns，工件架轉(zhuǎn)速為8r/min，調(diào)整鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶電流分別至4A，5A，5A和3A，OPM的設(shè)定值為45％，鍍層沉積時間為90min。

實施例5得到的鍍層調(diào)制周期為3.0nm，鍍層中Mo元素占鍍層原子百分比為10.9％，鍍層厚度為3μm，硬度為3200HV，摩擦系數(shù)為0.33，比磨損率為5.5×10^-17m³/Nm。

實施例6

將工件清洗干燥后放入真空室中，抽真空至5.0×10^-3Pa后，通入氬氣，氬氣流量為20sccm；在工件上加載負偏壓為-400V，脈沖頻率為100KHz，脈沖寬度為1000ns，鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶流均調(diào)整為0.5A，離子轟擊清洗25min；將工件負偏壓調(diào)整為-70V，脈沖頻率為200KHz，脈沖寬度為500ns，工件架轉(zhuǎn)速為4r/min，調(diào)整鉻靶、鈦靶、鋁靶和鉬靶電流分別至4.5A，6A，6A和3A，OPM的設(shè)定值為55％，鍍層沉積時間為110min。

實施例6得到的鍍層調(diào)制周期為4.5nm，鍍層中Mo元素占鍍層原子百分比為10.3％，鍍層厚度為3.7μm，硬度為2700HV，摩擦系數(shù)為0.4，比磨損率為8.0×10^-17m³/Nm。