[发明专利]钇改性碳氮化铬铝/氮化硅纳米复合涂层及其沉积方法有效
申请号: | 201310331049.0 | 申请日: | 2013-08-01 |
公开(公告)号: | CN103436841A | 公开(公告)日: | 2013-12-11 |
发明(设计)人: | 李明升;张迎;张淑娟;王丽 | 申请(专利权)人: | 江西科技师范大学 |
主分类号: | C23C14/06 | 分类号: | C23C14/06;C23C14/35;B32B9/04 |
代理公司: | 南昌新天下专利商标代理有限公司 36115 | 代理人: | 施秀瑾 |
地址: | 330013 江西省南*** | 国省代码: | 江西;36 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 改性 氮化 纳米 复合 涂层 及其 沉积 方法 | ||
技术领域
一种机械加工刀具用钇改性碳氮化铬铝/氮化硅纳米复合涂层及其沉积方法,该涂层应用于高速钢、硬质合金刀具表面强化,以提高刀具使用寿命及工件加工质量,属于新材料领域。
背景技术
纳米结构的多相复合涂层至少包括两相,一相为纳米晶相,植入另一金属相或非晶陶瓷母相。在这种结构中,小的晶粒尺寸一方面降低了位错密度、另一方面阻碍了位错的运动,从而提高材料硬度。根据母相为金属相还是非晶陶瓷相,可分为纳米晶硬相植入金属软相的nc-TMN/Metal(TM:过渡金属)和纳米晶硬相植入非晶硬相的nc-TMN/a-ceramic。
将氮化物纳米晶植入金属母相中,可以得到兼具高硬度和高韧性的复合涂层,如 TiN-Cu、TiN-Ni等具有良好的韧性,同时硬度高达35-40GPa。由于陶瓷相和金属相之间的弱结合,晶界强化的作用可能并不明显。这类涂层的硬度强化部分来自于沉积过程中离子轰击引起的压应力,经高温退火处理硬度会显著下降。
纳米晶硬相植入非晶相的nc-TMN/a-ceramic双相纳米复合涂层的形成依赖于沉积过程中热力学驱动及扩散控制的spinodal相分离自组织过程。在相分离引起的自由能降低、成分梯度及界面应变能的平衡作用下,具有特征晶粒尺寸的纳米复合结构自组织形成。特征晶粒尺寸受相分离产生的界面应变能调制,界面应变能越低晶粒尺寸越小。nc-TMN/a-ceramic双相纳米复合结构可看做三个维度上的多层膜,多层膜的硬化和韧化机制在这种复合结构中同样起作用。特定的纳米晶尺寸一方面降低了位错密度、另一方面阻碍了位错的运动,从而提高硬度。两相间高的结合力有助于抑制裂纹扩展,同时高密度相界使裂纹发生偏转和绕道,从而耗散裂纹前进的动力,提高涂层的断裂韧性。通过spinodal相分离形成纳米晶植入非晶的复合结构应具备三个条件:一是两种化合物有较宽的不相混溶区,二是两相具有高的化学亲和力,三是其中一相倾向于形成非晶。由于以上条件的限制,目前只发现纳米晶硬质晶粒植入非晶Si3N4或BN两类超硬复合涂层。典型的例子如Ti-Si-N体系在适当条件下形成纳米晶TiN植入非晶Si3N4的结构。这类复合涂层具有高的硬度和韧性及结构稳定性,但高温下涂层易氧化或腐蚀失效。如TiN/Si3N4硬度可达30-45GPa,使用温度一般在800℃以下。
本发明拟将碳氮化铬铝植入非晶氮化硅并加入稀土元素Y,形成多元双相纳米复合涂层,以进一步提高涂层的硬度和高温抗氧化性能;并通过粘结层和过渡层的设计使涂层和基体之间具有高的结合强度,为高速钢、硬质合金刀具模具提供高性能涂层解决方案。
发明内容
本发明的目的在于通过对稀土元素钇、碳氮化铬铝、氮化硅进行纳米复合设计,利用固溶强化、复相强化、纳米效应、元素特性,获得一种硬度高、韧性好、摩擦系数低、抗氧化能力强的机械加工刀具用纳米复合涂层。
涂层设计方案如下:(1)形成碳氮化铬铝替位固溶体:铝在氮化铬中的固溶度可达77%,碳原子和氮原子可无限替位,碳原子及铝原子分别取代氮化铬晶格中部分氮原子和铬原子的位置,引起晶格畸变,产生固溶强化,同时由于铬和铝高温下都能形成保护性氧化膜,涂层具有极佳的抗氧化能力。(2)纳米晶碳氮化铬铝植入氮化硅非晶中形成纳米复合结构:氮化硅和过渡族金属氮化物固溶度低,氮化硅和碳氮化铬铝容易发生相分离,而且气相沉积条件下氮化硅有非晶化趋向强,体系易于形成纳米晶碳氮化铬铝植入非晶氮化硅的复合结构,这种结构由于固溶强化、纳米效应、相界增强,具有高的硬度的同时能保证涂层具有良好的韧性和高温热稳定性。(3)稀土元素钇改性:少量大原子半径的稀土钇难以固溶于碳氮化铬铝或氮化硅中,以钇或氮化钇的形式弥散分布于碳氮化铬铝和氮化硅的界面上,通过对界面强度的调制,影响纳米晶尺寸、增强涂层硬度和韧性;同时涂层高温氧化时,钇在涂层和氧化物界面富积,阻断扩散通道、细化氧化物晶粒、提高氧化层附着力,从而提高涂层高温抗氧化性。
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