CN104894512A - 一种低摩擦系数的CrTiAlCN耐磨镀层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种低摩擦系数CrTiAlCN耐磨镀层及其制备方法，该制备方法为：采用四靶直流反应磁控溅射的方法，以固体石墨靶为碳源，制备出掺杂碳主要以非晶态结构与CrTiAlN基体呈纳米层状结构交替分布的掺碳改性类CrTiAlCN镀层,具有优良的摩擦学性能，其镀层元素含量为：21.13～35.71％Cr，4.96～10.32％Ti，0.94～6.05％Al，25.11～47.24％N，3.19～47.86％C。本发明制备的CrTiAlCN镀层较传统的CrTiAlN镀层具有更低的摩擦系数的更优良的摩擦学性能，作为各种工模具表面的耐磨镀层有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种低摩擦系数CrTiAlCN耐磨镀层，属于材料表面工程领域。
背景技术
传统的工模具在使用过程中与被加工工件存在着剧烈的摩擦而严重影响其使用寿命，因此采用磁控溅射法制备的耐磨镀层则在工模具表面得到了广泛的应用，不仅可以大大提高工模具的使用寿命，还可以大大提高加工速度。
CrTiAlN镀层是一种常用多金属氮化物镀层，因具有良好的耐磨性能而被应用于工模具表面以提高其使用寿命，但是CrTiAlN镀层对常用金属的摩擦系数较大(比如CrTiAlN镀层对钢的摩擦系数达0.7)，不采取适当的润滑措施将不能满足高速相对运动系统摩擦副之间低摩擦力的性能要求，并且，随着装配精度等级的提高和相对运动速度的增大，液体润滑介质愈来愈难以在摩擦副表面形成连续膜而不能起到润滑效果，因此研究制备出既能保持CrTiAlN镀层高硬度的性能优点、又具有较低摩擦系数的自润滑镀层便成为近年来薄膜制备领域的一个研究热点。
本发明采用固体石墨靶为碳源，以参杂的方式制备出碳元素以石墨结构(sp2键)和金刚石结构(sp3键)混杂弥散于CrTiAlN镀层基体或与基体呈纳米多层结构交替分布的CrTiAlCN镀层，在保持CrTiAlCN镀层高硬高耐磨的基础上可以大大降低原CrTiAlN镀层的摩擦系数，可以显著提高CrTiAlN镀层的摩擦学性能，此发明方法可制备出各种掺碳氮化物系耐磨镀层，可大大拓宽氮化物系硬质耐磨镀层的应用领域，具有很高的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低摩擦系数CrTiAlCN耐磨镀层及其制备方法，该制备方法是采用固体石墨靶材为碳源对传统的CrTiAlN镀层进行掺杂改性以获得高性能的CrTiAlCN耐磨镀层，本发明所要解决的技术问题是相对于原CrTiAlN镀层，本发明的CrTiAlCN耐磨镀层可明显降低镀层的摩擦系数并能不能程度提高耐磨性能。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的低摩擦系数的CrTiAlCN耐磨镀层，该CrTiAlCN耐磨镀层是由以下的质量百分比组成：21.13～35.71％Cr，4.96～10.32％Ti，0.94～6.05％Al，25.11～47.24％N，3.19～47.86％C。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的低摩擦系数的CrTiAlCN耐磨镀层的制备方法，是采用四靶直流反应磁控溅射的方法，具体操作如下：对传统的CrTiAlN镀层进行改性，固体石墨靶为碳源，再分别固定Cr靶、Ti靶、Al靶的溅射电流为2A、1.5A、1.5A，使用Ar作为溅射气体，使用N2作为反应气体，然后通过改变所述石墨靶的溅射电流来控制掺碳量，最终制备得到CrTiAlCN耐磨镀层。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的低摩擦系数的CrTiAlCN耐磨镀层的制备方法，所述Cr靶、Ti靶、Al靶、石墨靶纯度均为99.95％；所述Ar、N2纯度均为99.999％。
前述的低摩擦系数的CrTiAlCN耐磨镀层的制备方法，所述Ar作为溅射气体是由质量流量计控制，为20～25sccm；所述N2作为反应气体是由光发射法控制，其值为50。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。借由上述技术方案，本发明至少具有下列优点：采用本发明制备方法制备的CrTiAlCN镀层相比传统的CrTiAlN镀层不仅摩擦系数更低，而且具有更好的耐磨性能，可作为工模具耐磨镀层得到广泛的应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，详细说明如下。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下列举较佳实施例，对依据本发明提出的一种低摩擦系数CrTiAlCN耐磨镀层及其制备方法其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。
本发明提供一种低摩擦系数CrTiAlCN耐磨镀层及其制备方法。
本发明采用的制备方法是：以固体石墨靶为碳源，固定Cr、Ti、Al靶的溅射电流，通过改变石墨靶的溅射电流来控制掺碳量，最终制备的镀层的元素质量百分比组成为：21.13～35.71％Cr，4.96～10.32％Ti，0.94～6.05％Al，25.11～47.24％N，3.19～47.86％C。
本发明采用四靶磁控溅射设备制备CrTiAlCN耐磨镀层，四个溅射靶材分别为Cr、Ti、Al、C(石墨)，Ar为溅射气体，N2为反应气体，Ar由质量流量计控制，为20～25sccm，N2由光反射法OEM(Optical Emission Method)控制，其值为50，固定Cr、Ti、Al靶的电流分别为2A、1.5A、1.5A，通过调整石墨靶的溅射电流来控制CrTiAlCN镀层中的C元素含量。
本发明具体实施方式中所使用的靶材Cr靶、Ti靶、Al靶、石墨靶，均为市售常用靶材，纯为为99.95％，Ar气、N2气纯度为99.999％。
实施例1
本实施例中固定Cr、Ti、Al靶的溅射电流分别为2A、1.5A、1.5A，石墨靶电流为0.3A，所制备的CrTiAlCN镀层中元素含量分别为：35.71％Cr，10.32％Ti，3.54％Al，47.24％N，3.19％C。
本实施例中得到CrTiAlCN镀层，表面粗糙度为1.751E+00nm，显微硬度为2353HV，对钢的摩擦系数为0.6，与GCr15钢球对磨时的磨损率为5.69×10-15m3/mN，与CrTiAlN镀层这些力学性能指标2.452E+00nm、2260HV、0.7、7.14×10-15m3/mN相比，均有了不同程度的提提升，表面粗糙度降低了28.59％，显微硬度提高了4.12％，摩擦系数降低了14.29％，磨损率降低了20.31％。
实施例2
本实施例中固定Cr、Ti、Al靶的溅射电流分别为2A、1.5A、1.5A，石墨靶电流为0.9A，所制备的CrTiAlCN镀层中元素含量分别为：27.58％Cr，9.84％Ti，6.05％Al，44.92％N，11.61％C。
本实施例中得到CrTiAlCN镀层，表面粗糙度为6.944E-01nm，显微硬度为2735HV，对钢的摩擦系数为0.5，与GCr15钢球对磨时的磨损率为3.18×10-15m3/mN，与CrTiAlN镀层这些力学性能指标2.452E+00nm、2260HV、0.7、7.14×10-15m3/mN相比，均有了不同程度的提提升，表面粗糙度降低了71.68％，显微硬度提高了21.02％，摩擦系数降低了28.57％，磨损率降低了55.46％。
实施例3
本实施例中固定Cr、Ti、Al靶的溅射电流分别为2A、1.5A、1.5A，石墨靶电流为1.5A，所制备的CrTiAlCN镀层中元素含量分别为：27.40％Cr，5.90％Ti，2.21％Al，27.73％N，36.76％C。
本实施例中得到CrTiAlCN镀层，表面粗糙度为1.626E+01nm，显微硬度为2560HV，对钢的摩擦系数为0.35，与GCr15钢球对磨时的磨损率为6.06×10-15m3/mN，与CrTiAlN镀层这些力学性能指标2.452E+00nm、2260HV、0.7、7.14×10-15m3/mN相比，均有了不同程度的提升，表面粗糙度降低了33.69％，显微硬度提高了13.27％，摩擦系数降低了50.00％，磨损率降低了15.13％。
实施例4
本实施例中固定Cr、Ti、Al靶的溅射电流分别为2A、1.5A、1.5A，石墨靶电流为2.4A，所制备的CrTiAlCN镀层中元素含量分别为：21.13％Cr，4.96％Ti，0.94％Al，25.11％N，47.86％C。
本实施例中得到CrTiAlCN镀层，表面粗糙度为2.226E+01nm，显微硬度为2409HV，对钢的摩擦系数为0.3，与GCr15钢球对磨时的磨损率为5.05×10-15m3/mN，与CrTiAlN镀层这些力学性能指标2.452E+00nm、2260HV、0.7、7.14×10-15m3/mN相比，均有了不同程度的提升，表面粗糙度降低了9.22％，显微硬度提高了6.59％，摩擦系数降低了57.14％，磨损率降低了29.27％。
综上所述，本发明一种低摩擦系数CrTiAlCN耐磨镀层及其制备方法，该制备方法为：采用四靶直流反应磁控溅射的方法，以固体石墨靶为碳源，制备出掺杂碳主要以非晶态结构与CrTiAlN基体呈纳米层状结构交替分布的掺碳改性类CrTiAlCN镀层,具有优良的摩擦学性能，其镀层元素含量为：21.13～39.64％Cr，4.96～7.21％Ti，0.94～4.44％Al，25.11～48.71％N，3.19～47.86％C。本发明制备的CrTiAlCN镀层较传统的CrTiAlN镀层具有更低的摩擦系数，具有更优良的耐磨性能，其作为各种工模具表面的耐磨镀层有着广泛的应用前景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种低摩擦系数的CrTiAlCN耐磨镀层，其特征在于，该CrTiAlCN耐磨镀层是由以下的质量百分比组成：21.13～35.71％Cr，4.96～10.32％Ti，0.94～6.05％Al，25.11～47.24％N，3.19～47.86％C。
2.一种如权利要求1所述的低摩擦系数的CrTiAlCN耐磨镀层的制备方法，其特征在于是采用四靶直流反应磁控溅射的方法，具体操作如下：对传统的CrTiAlN镀层进行改性，固体石墨靶为碳源，再分别固定Cr靶、Ti靶、Al靶的溅射电流为2A、1.5A、1.5A，使用Ar作为溅射气体，使用N2作为反应气体，然后通过改变所述石墨靶的溅射电流来控制掺碳量，最终制备得到CrTiAlCN耐磨镀层。
3.根据权利要求2所述的低摩擦系数的CrTiAlCN耐磨镀层的制备方法，其特征在于：所述Cr靶、Ti靶、Al靶、石墨靶纯度均为99.95％；所述Ar、N2纯度均为99.999％。
4.根据权利要求2或3所述的低摩擦系数的CrTiAlCN耐磨镀层的制备方法，其特征在于：所述Ar作为溅射气体是由质量流量计控制，为20～25sccm；所述N2作为反应气体是由光发射法控制，其值为50。
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