CN103774103B - 一种阻止Ag在TiAlN涂层中高温晶界扩散的方法 - Google Patents
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Abstract
一种阻止Ag在TiAlN涂层中高温晶界扩散的方法,所述方法为在磁控溅射沉积TiAlN-Ag复合涂层时,采用单独的Si靶和磁控溅射技术,向TiAlN-Ag涂层中添加Si3N4组元,使其存在于TiAlN的晶界上,构成TiAlN-Ag/Si3N4涂层;TiAlN-Ag/Si3N4涂层中Ag含量在1-10at%,Si含量在8-10at%;本发明可使Ag在200-800oC的高温扩散被明显的抑制,可明显阻止Ag通过TiAlN的晶界向涂层表面扩散,在200-800oC高温磨损试验中,可使TiAlN-Ag涂层的磨损时间提高3倍以上,另外,该方法改善的TiAlN-Ag耐磨减磨涂层制备方法简单,可广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种阻止Ag在TiAlN涂层中高温晶界扩散的方法。
背景技术
我国现在已成为能源消耗大国,摩擦磨损是造成高能耗的一个主要原因。2006年全国消耗在摩擦磨损方面的资金高达9500亿元。润滑是减少摩擦磨损、降低能耗的最为有效的措施之一。20世纪60年代问世的硬质涂层技术使刀具材料出现了一次重大变革。
近几年来,硬质涂层技术受到了越来越多的关注和研究,向硬质涂层中,加入贵金属元素,如Au、Ag,或者加入在高温下能形成具有润滑作用的氧化物形成元素,如W、Mo、V等,在室温和中温条件下能够降低硬质涂层的摩擦系数,提高涂层的耐磨性能。在TiAlN涂层中,添加Ag元素,当Ag含量在5-10at%时,可显著降低TiAlN在200-400oC的摩擦系数,提高TiAlN涂层的耐磨性能。但是,Ag元素的熔点比较低,在TiAlN涂层中以晶粒形式存在,TiAlN-Ag涂层在300oC以上温度长期作业时,Ag元素很容易通过TiAlN涂层的晶界,扩散到涂层的表面,使TiAlN-Ag涂层内部产生缺陷,使涂层力学性能恶化,最终导致TiAlN-Ag涂层剥落,耐磨性下降。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种阻止Ag在TiAlN涂层中高温晶界扩散的方法,它具有提高TiAlN-Ag涂层耐磨性能,改善TiAlN-Ag涂层制备方法的优点。
本发明是这样来实现的,由于非晶Si3N4相具有高温稳定性,与TiAlN相互不相容,且优先沉积在TiAlN晶粒的晶界上的特性,采用TiAlAg靶和Si靶双靶共同反应磁控溅射技术,制备TiAlN-Ag/Si3N4复合涂层,通过调节靶材成分和TiAlAg靶、Si靶的功率,使得涂层中Ag含量为1-10at%,Si含量为8-10at%,且Si以非晶Si3N4相存在于TiAlN晶粒的晶界上,阻碍Ag在高温通过TiAlN的晶界进行扩散。
本发明的技术效果是:本发明制备的TiAlN-Ag/Si3N4复合涂层,当Ag含量为1-10at%,Si含量为8-10at%时,非晶Si3N4相占据了TiAlN晶粒的大部分晶界,使Ag在200-800oC的高温扩散被明显的抑制,可明显阻止Ag通过TiAlN的晶界向涂层表面扩散,在200-800oC高温磨损试验中,可使TiAlN-Ag涂层的磨损时间提高3倍以上,另外,该方法改善的TiAlN-Ag耐磨减磨涂层制备方法简单,可广泛应用。
附图说明
图1为本发明TiAlN-Ag/Si3N4涂层沉积过程示意图。
图2为本发明TiAlN-Ag/Si3N4复合涂层结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做详细阐述:
实施例一、在高速钢W6Mo5Cr4V2上制备具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN-Ag/Si3N4涂层,其具体的制备工艺如下:
1)前处理。将W6Mo5Cr4V2高速钢钢板切割成20mm×20mm×3mm的试样,试样的中上部钻直径为3mm的通孔,试样经粗磨、细磨和抛光处理,使其表面粗糙度小于0.5微米;
2)双靶共溅制备TiAlN-Ag/Si3N4涂层的工艺参数和技术条件如下:N2分压0.5Pa,Ar分压0.25Pa,温度150℃,时间是200min,偏压-100V,占空比30%,采用粉末冶金的方法制备TiAlAg靶,其成分:Ti:48at%,Al:45at%,Ag7at%,靶材尺寸:直径100mm,厚度:10mm,溅射功率:350W,供电方式:恒流,采用粉末冶金的方法制备Si靶,粉末纯度:大于99at%,靶材尺寸:直径100mm,厚度:5mm,溅射功率:70W,供电方式:直流,试样转架自转速率:30转/分钟,其TiAlN-Ag/Si3N4涂层沉积过程如附图1;
这样,获得的具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN-Ag/Si3N4涂层的结构如附图2,其成分含量分别为Ti:25at%,Al:22at%,Ag:8at%,Si:9at%,N:36at%;并且通过实验测试,TiAlN-Ag/Si3N4涂层在200-800oC高温磨损试验中,可使TiAlN-Ag涂层的磨损时间提高4倍左右。
实施例二、在高速钢W6Mo5Cr4V2上制备具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN-Ag/Si3N4涂层,其具体的制备工艺如下:
1)前处理。将W6Mo5Cr4V2高速钢钢板切割成20mm×20mm×3mm的试样,试样的中上部钻直径为3mm的通孔,试样经粗磨、细磨和抛光处理,使其表面粗糙度小于0.5微米;
2)双靶共溅制备TiAlN-Ag/Si3N4涂层的工艺参数和技术条件如下:N2分压0.5Pa,Ar分压0.25Pa,温度150℃,时间是200min,偏压-100V,占空比30%,采用粉末冶金的方法制备TiAlAg靶,其成分:Ti:46at%,Al:44at%,Ag10at%,靶材尺寸:直径100mm,厚度:10mm,溅射功率:350W,供电方式:恒流,采用粉末冶金的方法制备Si靶,粉末纯度:大于99at%,靶材尺寸:直径100mm,厚度:5mm,溅射功率:90W,供电方式:直流,试样转架自转速率:30转/分钟,其TiAlN-Ag/Si3N4涂层沉积过程如附图1;
这样,获得的具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN-Ag/Si3N4涂层的结构如附图2,其成分含量分别为Ti:24at%,Al:22at%,Ag:10at%,Si:10at%,N:36at%;并且通过实验测试,TiAlN-Ag/Si3N4涂层在200-800oC高温磨损试验中,可使TiAlN-Ag涂层的磨损时间提高5倍左右。
实施例三、在高速钢W6Mo5Cr4V2上制备具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN-Ag/Si3N4涂层,其具体的制备工艺如下:
1)前处理。将W6Mo5Cr4V2高速钢钢板切割成20mm×20mm×3mm的试样,试样的中上部钻直径为3mm的通孔,试样经粗磨、细磨和抛光处理,使其表面粗糙度小于0.5微米;
2)双靶共溅制备TiAlN-Ag/Si3N4涂层的工艺参数和技术条件如下:N2分压0.5Pa,Ar分压0.25Pa,温度150℃,时间是200min,偏压-100V,占空比30%,采用粉末冶金的方法制备TiAlAg靶,其成分:Ti:49at%,Al:50at%,Ag1at%,靶材尺寸:直径100mm,厚度:10mm,溅射功率:300W,供电方式:恒流,采用粉末冶金的方法制备Si靶,粉末纯度:大于99at%,靶材尺寸:直径100mm,厚度:5mm,溅射功率:70W,供电方式:直流,试样转架自转速率:30转/分钟,其TiAlN-Ag/Si3N4涂层沉积过程如附图1;
这样,获得的具有高温阻碍Ag晶界扩散的TiAlN-Ag/Si3N4涂层的结构如附图2,其成分含量分别为Ti:25at%,Al:23at%,Ag:1at%,Si:8at%,N:43at%;并且通过实验测试,TiAlN-Ag/Si3N4涂层在200-800oC高温磨损试验中,可使TiAlN-Ag涂层的磨损时间提高3倍左右。
Claims (1)
1.一种阻止Ag在TiAlN涂层中高温晶界扩散的方法,其特征在于采用TiAlAg靶和Si靶双靶共同反应磁控溅射技术,以N2分压0.5Pa,Ar分压0.25Pa,温度150℃,时间200min,偏压-100V,占空比30%的工艺参数制备TiAlN-Ag/Si3N4复合涂层,所述的TiAlN-Ag/Si3N4涂层中Ag含量在1-10at%,Si含量在8-10at%,该涂层可明显阻止Ag通过TiAlN的晶界向涂层表面扩散,在200-800oC高温磨损试验中,可使TiAlN-Ag涂层的磨损时间提高3倍以上。
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