[发明专利]钛铝银氮纳米复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于表面工程技术，具体是一种用于材料表面磨损防护的钛铝银氮纳米复合涂层及其制备方法。

背景技术

刀具涂层在无润滑切削过程中，产生急剧波动的温度场和应力场，拷问着表面涂层的结合力、硬度、承载、热稳定性等综合性能。真空沉积的钛铝氮涂层具有强抗氧化性和高红硬性，常用作高速钢、硬质合金刀具的表面涂层。然而，现代工业对机加工效率、加工质量等要求不断提高，受单一的钛铝氮涂层的韧性、抗氧化性和摩擦系数等性质所限制的刀具性能逐渐不能满足要求。基于钛铝氮的增韧效应，或耐高温性能，或减摩耐磨将是发展趋势。如专利1：“一种应用于切削工具的新型TiAlN复合多重涂层”（200710009073.7，公开）所公开的“基体/Ti/[TiN/TiAlN]_n/Ti/TiAlN”涂层（[…]_n表示多层重复，下同），或专利2：“一种切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层及其制备方法”（CN101200797B，授权）所公开的“基体/[TiN/(Ti_X，Al_1-X)N/(Ti_Y，Al_1-Y)N]_n”纳米多层涂层，通过多重结构实现所述的“高硬度、高韧性”或“抗高温氧化、高韧性”等目标性能。

涂层的摩擦系数剧烈影响刀具加工性能。干切削过程中，摩擦热是导致切削面升温、氧化的重要因素，与摩擦系数有关的接触变形和切削形式影响工件的加工精度和表面粗糙度。低摩擦系数是新型表面涂层技术的一个重要发展方向。如专利3：“一种基体表面的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层及其制备方法”（201010594859.2，公开）所公开的“基体/[TiAlN/TiAlCN]_n”纳米多层涂层，引入“C”组元降低摩擦系数，并增强了抗腐蚀性能；又如文献1：“Tribological and oxidation behaviour of TiAlCN/VCN nanoscale multilayer coating deposited by the combined HIPIMS/(HIPIMS-UBM)technique”（Surface & Coatings Technology205(2011)2823-2829）所公开的“基体/[TiAlCN/VCN]_n”纳米多层涂层，获得强抗氧化、低摩擦系数、低磨损等良好综合性能。

尽管多层调制涂层的界面结构获得优异的硬度/抗氧化性能，但切削性能仍无法替代钛铝氮涂层。可能原因之一，多层界面调制降低内应力、增强正向压力下的硬度和韧性，但并不增强耐磨损所需的剪切抗力。若是其低摩擦系数与迭层间结合力和逐层剥落的磨损形式有关（见专利1和文献1），则界面调制无法提高耐磨性，甚至相反；之二，与TiAlN迭层相交替的TiN、TiAlCN、VCN等迭层所对应的切削性能，不高于TiAlN涂层。由于切削过程对综合性能的严厉要求，涂层的组织结构、组元构造均需要合理选择。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题为克服现有技术和研究的不足之处，提供一种新型组织结构的、综合性能优于钛铝氮涂层的新型表面保护涂层即钛铝银氮纳米复合涂层，表现为与在相同工艺下制备的钛铝氮涂层相比，硬度更高、断裂韧性更高、在400~600℃环境下摩擦系数和磨损率更低。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种工艺简便的涂层制备方法。

为解决本发明所述的首要技术问题，采用的技术为：一种钛铝银氮纳米复合涂层，其特征在于：组成主要包含粒径在8~33nm的钛铝氮纳米晶粒和分布在钛铝氮纳米晶晶界之间的银；其中，钛铝银氮纳米复合涂层含银3~8at.%，含氮45~50at.%，余量为钛铝。

作为改进，在真空沉积所述钛铝银氮纳米复合涂层之前，在金属或合金基底上依次沉积了任意厚度的铬底层、任意厚度的氮化铬过渡层，最后沉积钛铝银氮纳米复合涂层。

为解决本发明所述的另一个技术问题，采用的技术方案为：一种钛铝银氮纳米复合涂层的制备方法，其特征在于步骤依次为：

步骤1，将金属或合金基底装入镀膜设备的腔体内后抽真空到2~3×10^-3Pa，接着开启加热电源将金属或合金基底加热到350～500℃并稳定，其次采用质量流量计可控地向镀膜设备的真空腔体内通入Ar（氩气）以保持0.2~0.3Pa的真空气压；