[发明专利]一种纳米复合WN-Au涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明属于刀具涂层和表面润滑涂层制备技术领域，公开了一种纳米复合WN‑Au涂层及其制备方法和应用。该纳米复合WN‑Au涂层中各元素的原子百分比含量分别为：W 25～35at.％，Au 0～20at.％，N 55～65at.％。本发明采用双靶磁控溅射制备的纳米复合WN‑Au涂层，具有表面光滑、结构致密、及良好的自润滑性能，可有效降低摩擦系数，提高自润滑涂层的耐磨性。

技术领域

本发明属于刀具涂层和表面润滑涂层制备技术领域，特别涉及一种纳米复合WN-Au涂层及其制备方法和应用。

背景技术

随着现代加工技术特别是干式切削和高速切削技术的发展，对涂层刀具提出更高的要求，尤其是高速、高效、环保成为现代切削加工的追求目标。近年来，受环保法规和液体润滑油高温分解及成本升高等因素的影响，刀具涂层与耐磨防护涂层正逐步向干式固体润滑材料方向发展。在高速干切削难加工材料时，由于切削力的增大和切削温度的急剧升高，扩散磨损和氧化磨损加剧，涂层在短时间内局部脱落，导致涂层刀具快速磨损失效。而自润滑涂层的出现为刀具提高寿命和降低摩擦提供了可行性，已成为国内外的研究热点。作为过渡族金属氮化物，WN具有高硬度、高耐磨及高熔点等优点，被广泛应用于大规模集成电路的扩散阻挡层、高耐磨防护层、光学材料等。在高温摩擦的过程中，由于W氧化形成具有润滑特性的Magnéli相氧化物，在一定程度上起到减摩润滑作用。此外，将贵金属Au作为第二相，添加到氮化物中形成纳米复合结构nc-MeN/metal。一方面，通过晶粒细化，提高硬度；另一方面，软金属相的添加，有效降低摩擦系数。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种纳米复合WN-Au涂层，通过高温润滑相(W与Au)的扩散与氧化，形成氧化物与软金属润滑相，达到自润滑效果，降低摩擦系数。

本发明的又一目的在于提供一种上述纳米复合WN-Au涂层的制备方法。

本发明的再一目的在于提供一种上述纳米复合WN-Au涂层的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种纳米复合WN-Au涂层，该涂层中各元素的原子百分比含量分别为：W 25～35at.％，Au 0～20at.％，N 55～65at.％，各元素总为100at.％。

上述的一种纳米复合WN-Au涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)将镜面抛光后的衬底基体放入超声波中，依次用金属洗涤剂、酒精先后超声波清洗10～20min，干燥后固定在镀膜腔室内的样品台上，保持靶基距50～150mm，调节样品台自转速度0～20rpm，打开温控加热器升温至25～500℃，预抽本底真空至3.0～5.0×10^-3Pa；

(2)打开Ar、N₂气流量阀，调节Ar：N₂流量比1:1～10:1，设置分子泵的转速30000～90000rpm，调节总气压至0.5～2.0Pa；

(3)打开直流与射频磁控溅射电源，直流溅射Au靶功率调节至0～100W，射频溅射W靶功率调节至0～500W，占空比10～100％，复合沉积0～600min，得到厚度1.0～4.0μm的纳米复合WN-Au涂层；

(4)沉积结束后，关闭直流与射频磁控溅射电源，关闭Ar和N₂气流量阀，再关闭分子泵和机械泵，待腔室温度降至室温后开炉门取出样品，完成镀膜。

上述的一种纳米复合WN-Au涂层应用于刀具涂层和表面润滑涂层领域。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：

(1)本发明有机结合了氧化物润滑相与软金属相的自润滑效果，有效降低摩擦系数，可制备出自润滑性能良好的纳米复合自润滑涂层；