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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