[发明专利]高硬度TiSiBN纳米复合结构保护性涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬质保护涂层，特别涉及一种高硬度TiSiBN纳米复合结构保护性涂层及其制备方法，应用于刀具、模具等承受耐磨、冲击等载荷零件作为保护性涂层，属于材料表面改性技术领域。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，对材料的表面性能提出了越来越高的要求，要求材料在保持一定韧性的同时，还要求材料表面具有较高的硬度、耐磨、耐腐蚀和耐高温性能。在材料表面涂覆一定厚度的涂层是提高材料表面性能的一种有效途径，其发展适应了现代社会对材料服役性能的高技术要求，已被广泛应用于机械制造、汽车工业、地质钻探、模具工业等领域。尤其是随着材料服役环境的日益恶化，对保护性涂层材料的性能也提出了更高的要求，传统的保护性涂层，如TiN、TiC、TiCN、CrN、TiAlN等涂层已逐渐不能满足要求。

纳米结构涂层是近年来迅速发展的高性能新型涂层，该材料涂层的某一维尺度在100nm 以下，具有良好的硬度、耐磨性、耐蚀性等性能，能够使涂层刀具具有更高的切削性能和更长的使用寿命。近年来，由于具有高硬度、高模量、高耐磨性以及优异的抗高温性能，基于界面相和基体相两相组成的纳米复合结构涂层已成为先进保护性涂层领域重要的发展方向，能够满足高速切削和干式切削的要求。

目前，通过查询文献可知，纳米复合结构涂层已经通过不同的物理气相沉积方法成功制得，通过查新检索到如下制备纳米复合结构涂层的相关专利：

申请号为200910193492的中国专利涉及一种TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层及其制备方法。该纳米复合多层涂层是在材质为硬质合金、高速钢、耐热模具钢的工具或模具基体上，依次由过渡层TiN膜、(TiN+CrN)纳米复合多层和CrAlN纳米复合多层组成结构为 TiN/(TiN+CrN)/Ti(CN)多层金属氮化物陶瓷涂层；其制备方法包括预加热、表面清洗刻蚀、过渡层制备、(TiN+CrN)复合纳米多层层制备和CrAlN纳米复合多层制备等步骤。

申请号为201310331049的中国专利涉及一种钇改性碳氮化铬铝/氮化硅纳米复合涂层及其沉积方法，其目的在于通过对碳氮化铬铝及氮化硅进行纳米复合设计，形成纳米晶碳氮化铬铝植入非晶氮化硅的纳米复合结构，在提高涂层硬度的同时，兼顾涂层的韧性及涂层与基体的结合强度，同时引入稀土元素Y以进一步提高涂层的力学性能和高温抗氧化性，涂层包括铬铝钇粘结层、氮化铬铝钇过渡层及纳米复合层。

申请号为201410746556的中国专利涉及一种硬韧纳米复合ZrAlCuN涂层及其制备方法。在金属基体表面生成一层厚度为几个微米的硬韧涂层,提高基体在冲击载荷作用下抵抗磨损的能力，可作为刀具及模具表面涂层及耐冲蚀防护涂层。涂层为由过渡层和工作层组成的复合涂层，过渡层起到提高结合强度的作用，工作层是由氮化物、金属单质组成的纳米复合涂层，金属单质与氮化物不互溶。制备方法为采用磁控溅射技术溅射Zr、Al、Cu元素，以N₂为工作气体，共沉积形成纳米复合结构涂层。

申请号为201210011554的中国专利涉及一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为(V_1-xAl_x)N，其中，1-x为0.41～0.6，x为0.4～0.59，在保证较低摩擦系数的同时，能够保证具有较高的硬度，特别适合作为刀具涂层。该发明还公开了V-Al-N硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：基体清洗；沉积涂层：在真空室中，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，通入Ar气和N₂气，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，在250℃～500℃和0.3Pa～1.0Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层

申请号为201010176236的中国专利涉及一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法，刀具基体为WC/Co硬质合金，涂层包含有过渡层的纳米复合钛铬铝硅氮化物涂层，其中含有钛、铬、铝、硅和氮元素，晶粒大小在5～15nm，涂层厚度1～4μm，涂层显微硬度30GPa，高温稳定性达到1022℃以上，适用于高速条件下的高硬度钢材料切削加工。

上述现有纳米结构涂层及其制备技术中，未曾见到能达到超过40GPa的超高硬度涂层，而且弹性模量也较低；此外，现有的制备技术在制备过程中能耗较大，效率较低，并且所使用的设备也有成本高、生产过程复杂等一系列缺陷，难以实现大规模的工业化生产。

发明内容