CN102076495A - 分层涂层及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

在此公开了一种分层涂层。所述分层涂层包括铬层，在所述铬层上形成的铬和氮的中间层，和在所述中间层上形成的铬和氮的外层。所述中间层具有渐变的组成，其中所述铬的浓度从所述中间层邻近所述铬层的区域向所述分层涂层的表面发生降低。

Description

分层涂层及其形成方法
技术领域
本文总体上涉及分层涂层及其形成方法。
背景技术
在有些情况下，传动装置和其它超大载重机械包括由例如钢或铝形成的基材，其中所述基材涂有CrNx涂层材料。所述CrNx涂层可以包括CrN和Cr2N的混合物，其经常有利于改善所述基材的耐磨和耐腐蚀性能，然而，在有些情况下，所述CrNx涂层不能充分粘着所述基材和/或所述CrNx涂层可以具有显著高的残余应力，这可以导致所述CrNx涂层从所述基材脱层。
一种改善涂层材料在钢基材上的粘着性的方法是使用基本上纯的Cr作为所述涂层材料。然而已经发现，基本上纯的Cr可能缺乏硬度并且可能不能改善钢基材的耐磨损和耐腐蚀性能。
发明内容
在此公开了一种分层涂层。所述分层涂层包括铬层，在所述铬层上形成的铬和氮的中间层，和在所述中间层上形成的铬和氮的外层。所述中间层具有渐变的组成，其中所述铬的浓度从所述中间层邻近所述铬层的区域向所述分层涂层的表面发生降低。
附图说明
通过参考以下详细说明和附图，本文的实施方案的特性和优点将变得明显。
图1是在基材上形成的分层涂层的一个实施方案的半简略透视图。
具体实施方式
在此公开的分层涂层的实施方案有利地改善了大载重机械的耐磨损和/或耐腐蚀性能。所述分层涂层包括基本上纯的铬层，在所述基本上纯的铬层上形成的具有渐变组成的铬和氮的中间层，和在所述中间层上形成的铬和氮的外层。不想束缚于任何理论，相信涂有所述分层涂层的传动装置和其它类似物体的耐久性和力矩处理容量可以大大提高。
现在参考图1，所述分层涂层10的实施方案形成在基材12上。通常，所述分层涂层10形成在所述基材表面的至少一部分上，总厚度为约1.02-5μm。
应理解，可以选择任何适合基材12，在其上形成所述分层涂层10。用于基材的适合材料的非限制性实例包括钢、钢的各种组合物、铝、铝合金、镁、镁合金，和其组合。在一个实施方案中，所述基材12是一种钢组合物，其碳含量为约0.2-1.0重量%。所述基材12也可以是具有任何希望的形状、几何形态和/或构造的一种工具或其它物体。在一个非限制性实例中，所述基材12是传动装置、后桥差速器机构的准双曲面齿轮，和/或类似物。
如图1所示，所述分层涂层10包括三个亚层(sublayer)14、16、18。虽然所述亚层14、16、18显示为三个独立的层，应理解，通常所述层14、16、18在相应界面处为相容的，并因此所述层14、16、18之间清晰视觉辨别可能不是可识别的。
直接靠近基材12形成的所述涂层10的所述亚层是铬层14。通常，所述铬层14的厚度T1为约0.01-0.5μm。
中间层16形成在所述铬层14上，厚度T2为约0.01-0.5μm。
所述中间层16在其厚度T2上具有渐变的铬和氮的组成。通常，所述中间层16的所述组成是在中间层16直接邻接所述铬层14的区域基本上由铬组成。所述中间层16中的铬浓度向所述中间层16的表面20下降。在一个实施方案中，所述中间层16的组成在厚度T2上从铬变为Cr2N，再变为CrN。
图1也描述了在所述中间层16上形成的铬和氮的外层18。所述外层18由原子比为约1:1+/-2%的铬和氮形成。通常，形成所述外层18以使厚度T3为约1-4μm。
在形成所述分层涂层10的方法的一个实施方案中，所述基材12加入真空室，所述真空室被抽空到预定压力。通常，所述预定压力是基础压力，其为约4x10-6乇。在一个非限制性实例中，所述预定压力为约1x10-6-1x10-5乇。
在将所述基材12加入所述真空室之前，可以将所述基材12机械清洗，例如用洗涤剂和刷子。一旦在所述真空室中，所述基材12可以在希望压力（例如约1x10-3-5x10-3乇）下使用基本上轻度氩气蚀刻进一步清洗希望的时间（例如约10-30分钟）。应理解，所述清除时间可以延长时间，只要所述基材12的温度基本上受控从而所述基材12不会过热。在一个非限制性实例中，所述清除时间可以延长一段时间，直到所述基材12的温度达到约150oC，最多约180oC。在所述基材12过热（即超过180oC）并且没有实现希望的清洗水平的情况下，清洗过程可以停止并且可以允许所述基材12冷却（例如冷却到低于180oC的温度，在有些情况下低于150oC）。一旦所述基材12冷却，然后可以重新启动所述清洗过程。在氩气蚀刻清洗过程中，应理解，所述基材12可以加约-400伏的偏压（biased）。
所述方法另外包括激发（energizing）真空室中的铬靶。结果导致铬颗粒发生溅射。至少一些颗粒粘着于所述基材12表面，由此形成所述铬层14。所述铬颗粒在基材12表面上发生的溅射可以进行预定时间。所述时间的确定至少部分地取决于所述铬层14的希望厚度T1。在一个实施方案中，所述铬颗粒溅射到基材12上时间为约3-5分钟。
在经过了预定时间之后，将预定水平的氮气流引入所述真空室。氮气流可以通过压电致动阀或其它类似物如阀机构加以控制。所述基材12上的至少一些铬颗粒与所述氮气流起反应，以在所述铬层14上形成铬氮层（即中间层16）。所述氮气流渐增，由此减少所述铬氮层16的表面附近的铬含量。在一个非限制性实例中，所述含氮量在约3-10分钟的时间框架内从0SCCM渐增到约10SCCM，随后基本上维持在约10SCCM。
所述氮气流最后维持在所述预定水平的约40%。相信这在所述铬氮层16上形成铬和氮的原子比为1:1+/-2%的外层18。
在将所述氮气流引入所述真空室前，所述铬颗粒产生光发射。因所述氮气流的引入，所述铬原子的光发射随所述氮气流的增加呈大约线性地降低。
在所述方法的一个非限制性实施例实施方案中，所述涂层亚层14、16、18沉积或者形成在所述基材12上，使用的是不对称磁控溅射技术，如用于Teer 550UDM机（其由英国Worcestershire的Droitwich的Teer Coatings ,Ltd.制造）。
为进一步举例说明本文的实施方案，在此给出实施例。应理解，提供实施例为的是举例说明的目的，不应被理解为限制所公开的实施方案的范围。
实施例
通过机器加工碳含量为约0.2%的低碳钢，制备多个汽车传动装置。所使用的机器加工方法包括铣法和刨法。在机器加工之后，将传动装置碳化，机壳硬化，和热处理直到所述传动装置的表面硬度为约58-62，按洛氏硬度（HRc）计。更准确地说，将所述传动装置在约1700oF（950oC）温度下接触渗碳剂气体，以使碳原子扩散进入所述传动装置的表面。应理解，这个温度能使所述钢结构转换为奥氏体，其适于碳扩散。所述传动装置通过在其中形成碳化物沉淀（常称为“碳化物”）而硬化。所述传动装置然后通过冲刷进行清洗，并载入真空室。
在所述真空室内，然后将所述传动装置涂上厚度为约1μm的Cr层。然后在所述Cr层上涂覆厚度约1μm的中间层。所述中间层由Cr2N和CrN的组合物组成。然后在所述中间层上涂覆厚度约1μm的外层。所述外层由Cr :N比为1:1（+／-2%）的CrN组成。
通过机器加工碳含量为约0.2%的低碳钢，还制备多个未涂覆的汽车传动装置。所述机器加工方法也包括铣法和刨法。其后，所述传动装置进行碳化和热处理，直到他们各自的表面硬度为约58-62，按洛氏硬度（HRc）计。所述传动装置然后通过冲刷来清洗。这些传动装置仍然不涂覆。
测试所述涂覆和未涂覆汽车传动装置的耐接触疲劳性。测试流程描述在N. Anderson 和L. Lev 的“用于机动车行星齿轮组的涂层”中，Proceedings of DETC' 03，ASME 2003 Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference，Chicago，Illinois，2003年9月2-6日，该文献在此全文引入作为参考。
所述耐接触疲劳性测试的结果显示，涂覆的传动装置（根据在此公开的实施方案制备）可以经受与350HP内燃机的工作性能相当的测试力矩预定值。然而，在相同条件下测试的所述未涂覆的传动装置可以经受与不超过200HP的内燃机的工作性能相当的测试力矩预定值。
虽然已经详细描述了若干实施方案，但是本领域技术人员显而易见的是所公开的实施方案可以进行改变。因此，以上应被认为是示例性的，而不是限制性的。

Claims (17)

1. 一种分层涂层，其包括：
铬层；
在所述铬层上形成的铬和氮的中间层，所述中间层具有渐变的组成，其中铬浓度从所述中间层邻近所述铬层的区域向所述中间层的表面发生降低；和
在所述中间层上形成的铬和氮的外层。
2. 如权利要求1所述的分层涂层，其中所述外层的铬与氮的原子比为1:1+/-2%。
3. 如权利要求1所述的分层涂层，其中所述中间层的渐变组成为从Cr变为Cr2N再变为CrN。
4. 如权利要求1所述的分层涂层，其中所述铬层的厚度为约0.01-0.5μm。
5. 如权利要求1所述的分层涂层，其中所述中间层的厚度为约0.01-0.5μm。
6. 如权利要求1所述的分层涂层，其中所述外层的厚度为约1-4μm。
7. 一种装置，其包括：
基材；和
在所述基材的至少一部分表面上形成的分层涂层，所述分层涂层包括：
在所述基材表面上形成的铬层；
在所述铬层上形成的铬和氮的中间层，所述中间层具有渐变的组成，其中铬浓度从所述中间层邻近所述铬层的区域向所述中间层的表面发生降低；和
在所述中间层上形成的铬和氮的外层。
8. 如权利要求7所述的装置，其中所述外层的铬与氮的原子比为1:1+/-2%。
9. 如权利要求7所述的装置，其中所述中间层的渐变组成为从Cr变为Cr2N再变为CrN。
10. 如权利要求7所述的装置，其中所述铬层的厚度为约0.01-0.5μm；所述中间层的厚度为约0.01-0.5μm；和 所述外层的厚度为约1-4μm。
11. 如权利要求7所述的装置，其中所述基材选自钢、钢组合物、铝、铝合金、镁、镁合金，和其组合。
12. 一种用于形成分层涂层的方法，其包括：
在预定压力下的真空室中提供基材；
激发铬靶，由此在所述基材上溅射铬颗粒并形成铬层；
向所述真空室中引入预定水平的氮气流，由此在所述铬层上形成铬氮层；
逐渐增加所述氮气流以逐渐降低所述铬氮层中的铬浓度；和
维持所述氮气流为所述预定水平的约40%，由此在所述铬氮层上形成铬与氮的原子比为1:1+/-2%的外层。
13. 如权利要求12所述的方法，其中在所述真空室中提供所述基材之前，所述方法还包括机械清洗所述基材。
14. 如权利要求12所述的方法，其中在激发铬靶之前，所述方法还包括在约1x10-3-5x10-3乇下用氩气蚀刻来清洗所述基材，其中所述基材在蚀刻期间加约-400伏的偏压。
15. 如权利要求13所述的方法，其中所述预定压力为约1x10-6-1x10-5乇。
16. 如权利要求12所述的方法，其中激发所述铬靶是在引入所述氮气流前约3-5分钟完成。
17. 如权利要求12所述的方法，其中在引入所述氮气流之前，所述铬颗粒产生光发射，并且在引入所述氮气流之后，所述光发射随所述氮气的增加呈基本上线性的下降。
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