[发明专利]一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型硬质保护涂层，特别涉及一种具有超高硬度、低摩擦系数的的TiSiCN纳米复合涂层及其制备方法，利用C掺杂TiSiN纳米复合膜涂层进行进一步强化是本发明的特点，同时由于C元素的掺杂使涂层具有较低的摩擦系数。

背景技术

随着社会的进步和科技的发展，材料表面性能要求越来越高，高硬度、耐磨、耐腐蚀性，耐高温性能等种种指标是衡量当今刀具性能的重要指标，为满足越来越高的工程需要，在材料表面涂覆一层硬质涂层是提高材料表面性能的一种经济实用的有效途径，硬质涂层作为机械功能膜的一个重要分支，在机械加工工具中应用很广，特别是在金属切削中占了主导地位。硬质涂层能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命。它的发展适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，引起了刀具材料和性能的巨变，可被广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。

多年来，TiSiN纳米复合膜涂层由于具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性、较高的抗氧化性能等优点被广泛应用于保护性硬质涂层材料。然而，随着目前切削技术逐渐向高速切削和干式切削方向发展，对涂层材料的硬度、抗氧化性能、热稳定性等性能提出了更高的要求。传统的TiSiN复合涂层已逐渐不能满足现代切削技术的要求，因此迫切需要开发新型的保护性涂层材料。随着纳米科学与技术的发展，纳米复合涂层的进一步研究成为硬质涂层材料的重要发展方向。所谓纳米复合膜涂层是一种典型的用纳米结构进行强化的超硬涂层，该涂层是由界面相包裹基体相形成的三维网状结构。其致硬机理与其界面相包裹着纳米晶的复合结构有关，理想的TiSiN纳米复合膜涂层由纳米尺寸的TiN晶粒和Si₃N₄非晶相组合而成。整个膜层以TiN等轴纳米晶为主体，Si₃N₄作为界面相包裹在TiN纳米晶四周。由于TiN纳米晶内不含位错，难以变形，产生于低强度的Si₃N₄界面相中的微裂纹则由于受到TiN纳米晶的阻挡而难以扩展，使得纳米复合膜的硬度获得提高。因此，纳米复合涂层是新型保护型硬质涂层的重要发展方向。

通过查文献得知，TiSiCN纳米复合膜涂层目前已经通过多种方法成功制得，取得不少有益的成果，如等离子体增强化学气相沉积TiSiCN纳米复合膜等。通过查询，检索到如下有关制备TiSiCN纳米复合膜涂层的中国专利：

申请号为201110047212.1 的专利涉及了一种中频磁控溅射技术制备TiSiCN纳米复合润滑薄膜的方法。本发明利用中频磁控溅射技术，以CH4和N2为反应气体溅射TiSi复合靶，通过调节复合靶中Ti和Si原子比、CH4和N2气体比例、脉冲偏压制备TiSiCN纳米复合润滑涂层。本发明解决了单一TiC、TiN和DLC薄膜摩擦学性能的局限性，克服了CVD法制备TiSiCN涂层残余气体毒性大的难题。制备的涂层具有较高的硬度，低的摩擦系数和良好的抗磨性，适用于轴承、小型转轴和空间运动部件等机械零部件表面的自润滑耐磨薄膜。一种TiSiN+ZrSiN复合纳米涂层刀具及其制备方法，属于机械切削加工领域，采用多弧离子镀+中频磁控溅射的方法制备，其结构为多层结构，刀具表面为ZrSiN层，ZrSiN层与TiSiN层之间有TiZrSiN过渡层，TiSiN层与基体间有Ti过渡层，其中TiSiN和ZrSiN层中Si含量的原子百分比为6～10%，该专利中将TiSiN涂层高硬性及ZrSiN涂层低摩擦系数良好结合，使刀具不仅具有高硬度，还有良好的摩擦磨损性能和优异的抗高温氧化性，切削过程中可减少粘结，减少刀具磨损，提高刀具寿命。

申请号为200880018340.的专利涉及了一种表面被覆切削工具包括基材和在该基材上形成的涂膜，其特征在于所述涂膜包括复合超多层膜，所述复合超多层膜是将一个或多个第一超多层膜和一个或多个第二超多层膜交替堆叠而获得的，上述第一超多层膜是通过将一个或多个A1层和一个或多个B层交替堆叠而形成的，上述第二超多层膜是通过将一个或多个A2层和一个或多个C层交替堆叠而形成的，上述A1层和上述A2层各自由TiN、TiCN、TiAlN和TiAlCN中的任意一种构成，上述B层由TiSiN或TiSiCN构成，以及上述C层由AlCrN或AlCrCN构成。