CN106521438A - 一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，在基体上通过多靶磁控溅射方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层，CrAlN/WS2纳米多层涂层的总厚度2.0‑4.5μm，每一CrAlN纳米层厚度5.0nm，每一WS2纳米层厚度0.4‑1.2nm。还提供了上述纳米涂层的制备方法，将清洗后的基体置入多靶磁控溅射仪中，在氩、氮混合气氛中交替停留在CrAl合金靶和WS2靶之前，通过调整CrAl靶和WS2靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得CrAlN/WS2纳米多层涂层，本发明的方法具有工艺简单、沉积速度快、成本低、生产效率高等优点。
Description
技术领域
本发明属于材料学领域，涉及一种硬质保护涂层，具体来说是一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层及其制备方法。
背景技术
机械制造业的飞速发展，对材料的表面性能提出了越来越高的要求，不仅要求其具有较高的硬度、耐腐蚀性能，更要求其具有较高的耐摩擦磨损性能，以满足越来越苛刻的工程服役环境。超硬薄膜能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度增加涂层产品的使用寿命。它的发展适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，引起了刀具材料和性能的巨变，可被广泛应用于机械制造、汽车工业、模具工业、航空航天等领域。多年来，三元氮化物由于具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性、较高的抗氧化性能等优点被广泛应用于保护性硬质涂层材料，如TiAlN、CrAlN、ZrAlN和TiSiN等，已经在提高零件的使用性能和寿命上取得了较好的效果。然而，随着目前材料服役环境的愈发恶劣，对涂层材料的硬度、耐摩擦磨损性能等性能提出了更高的要求。传统的单层涂层已逐渐不能满足恶劣服役条件的要求，因此迫切需要开发新型的保护性涂层材料。
随着纳米科学与技术的发展，纳米多层涂层成为硬质涂层材料的重要发展方向。所谓多层涂层是由两种或两种以上成分或结构不同的材料在垂直于涂层表面方向上相互交替生长而形成的二维多层材料，对于两种不同结构或组成的多层涂层，每相邻两层形成一个基本单元，其厚度称为调制周期，通常将调制周期小于100nm的多层涂层成为纳米多层涂层，研究表明，当调制周期为特定的厚度时，纳米多层涂层将呈现硬度异常升高的“超硬效应”，使纳米多层涂层具有高的力学性能。另外，作为一种二维复合材料，纳米多层涂层可以充分利用每种材料的优点，使其的综合性能得到提升。因此，纳米多层涂层是新型保护型硬质涂层的重要发展方向。
通过查文献得知，纳米多层涂层目前已经通过多种方法成功制得，取得不少有益的成果，如ZrO2/TiN、Ti/TiCrN、AlTiCrN/YN等。通过查询，检索到如下有关制备纳米多层涂层的中国专利：
申请号为200610029133.7的专利涉及了一种ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层,属于陶瓷涂层领域。本发明由ZrO2层和TiN层交替沉积在硬质合金、陶瓷或金属基底上形成，ZrO2层的厚度为2-8nm，TiN层厚为0.4-1.2nm，涂层总厚度为2-5mm。本发明的ZrO2/TIN纳米多层涂层采用在氩气氛中的双靶溅射技术在抛光的金属或陶瓷基体表面交替沉积ZrO2层和TiN层得到。本发明所得的ZrO2/TiN纳米多层涂层不但具有优异的高温抗氧化性，而且具有19.1GPa至23GPa的硬度。本发明作为高速切削刀具及其它在高温条件下服役耐磨、耐腐蚀工件的涂层，具有很高的应用价值和推广的可能性。
申请号为201110082001.1的专利涉及了一种Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具及其制备工艺。所述Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层,刀具基体材料为硬质合金或高速钢,刀具基体表面为ZrN高硬度涂层,刀具基体与ZrN高硬度涂层之间有Ti过渡层,在Ti过渡层与表面ZrN高硬度涂层之间为Zr和ZrN交替的多层结构。具体工艺包括前处理、离子清洗、沉积Ti过渡层、反复沉积Zr层和ZrN层、沉积表面ZrN层的步骤。Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具含有高硬度ZrN涂层和韧性金属Zr,可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与基体间的结合强度,从而提高涂层的耐磨性;该制备工艺容易掌握,生产过程稳定可靠。
申请号为201310129525.0的专利涉及了一种纳米多层涂层，其特征在于该涂层至少包括沉积层，该沉积层由所包含的TiAlSiN亚层和CrAlN亚层交替沉积形成，并且，所述的TiAlSiN亚层中Si的原子含量为2-12%，所述的CrAlN亚层含有B1结构的纳米晶CrAlN显微组织。本发明还公开了该纳米多层涂层的制备方法。与现有技术相比，本发明得到纳米多层涂层具有高硬度、高韧性、高热稳定性和高抗氧化性的优点。
申请号为201410033860.5专利涉及一种AlTiCrN/YN纳米多层硬质涂层及其制备方法。所述AlTiCrN/YN纳米多层硬质涂层制备方法包括清洗、加热、刻蚀清洗、制备Ti或Cr粘附层和制备AlTiCrN/YN耐磨层。由于提供的制备方法不仅采用蒸发镀膜方法在刀具基体上沉积一层Ti或Cr粘结层，且还在其上采用中频反应磁控溅射技术周期交替沉积了AlTiCrN和YN层，因而使所制备的AlTiCrN/YN纳米多层硬质涂层组织为非柱状晶结构，组织致密，晶粒细小，不仅与刀具基体结合牢固，而且涂层具有较高的硬度和优良的抗高温氧化性能，特别适合制作用于高速干式切削不锈钢、铁基高温合金、高强结构钢和耐磨铸钢刀具的涂层，且涂层工艺简单，易于实施，更适合于工业化生产。
申请号为200910055595.X的专利涉及一种TiC/Si3N4纳米多层涂层及其制备方法。其特征在于该涂层属于陶瓷涂层领域。TiC/Si3N4高硬度纳米多层涂层由TiC层和Si3N4层交替沉积在金属、硬质合金或陶瓷基底上形成，TiC层的厚度为2-8nm，Si3N4层厚为0.2-0.8nm。本发明涂层制备如下：首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷的基体上采用双靶射频溅射方法交替沉积TiC层和Si3N4层，制取TiC/Si3N4纳米多层涂层，其中TiC采用TiC靶直接溅射得到，而Si3N4采用直接溅射Si3N4化合物靶材提供。本发明所得的TiC/Si3N4纳米多层涂层不但具有优良的高温抗氧化性，而且具有高于40GPa的硬度。本发明作为高速切削刀具尤其是高速切削的铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。
申请号为201410053656.X 的专利涉及了与工具表面结合牢固的AlTiCrN/MoN纳米多层涂层及其制备方法。其体征在于属于表面工程技术领域。该多层涂层在工具表面上由内而外一共有四层，依次是Ti结合层（2）、TiN梯度结构层（3）、AlTiCrN支撑层（4）和AlTiCrN/MoN功能层（5）；是通过工具基体（1）前处理和加热；等离子清洗；蒸镀Ti结合层（2）；蒸镀TiN梯度结构层（3）；溅射沉积AlTiCrN支撑层（4）和AlTiCrN/MoN功能层（5）得到的。本发明的AlTiCrN/MoN纳米多层涂层与工具表面结合良好，同时具有良好的耐磨性，方法可控性好，易于实施，具有很好的工业应用前景。
然而，上述现有的涂层仍存在着硬度、摩擦磨损性能、沉积效率以及成本无法兼顾的问题，具有硬度和抗摩擦磨损性能有待提升、生产效率和成本较高等一系列缺点。
发明内容
针对现有技术中的上述技术问题，本发明提供了一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层及其制备方法，所述的这种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层及其制备方法要解决现有技术中的涂层在硬度、摩擦磨损性能、沉积效率以及成本无法兼顾的技术问题。
本发明提供了一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层；所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。
进一步的，所述的纳米涂层的总厚度为2.0-4.5μm，每一CrAlN纳米层的厚度为5.0nm，每一WS2纳米层的厚度为0.4-1.2nm。
进一步的，所述WS2纳米层厚度小于0.8nm时，WS2纳米层为面心立方结构。
本发明还提供了上述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的制备方法，包括如下步骤：
1)一个清洗基体的步骤；将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水以80-100W分别进行超声波清洗10~20min；将超声波清洗后的基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用功率为80-100W的射频电源对基体进行离子轰击，进行离子清洗；
2)一个交替溅射CrAlN层和WS2层的步骤；将步骤（1）经离子清洗后的基体置入多靶磁控溅射仪中，在氩、氮混合气氛中，交替停留在CrAl合金靶和WS2靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和WS2纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，通过调整CrAl靶和WS2靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得具有高硬度和高减摩性能的CrAlN/WS2多层涂层；
上述的溅射过程的控制参工艺数为：
a)所述的CrAl合金靶中，Cr和Al按原子比为1:1，WS2靶的纯度为99.99%；
b)CrAl合金靶和WS2靶的直径均为75mm；
c)所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.2Pa-0.6Pa；Ar气流量为20-50sccm，N2气流量为3-15sccm；
d)CrAlN纳米层溅射功率120W，时间16s；
e)WS2纳米层溅射功率80W，时间2-10s；
f)靶基距5-7cm；
g)基体温度为300℃。
进一步的，步骤（2）中，所述的多靶磁控溅射仪为中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的JGP-450型磁控溅射系统。
本发明由于采用硬度较高的CrAlN纳米层和摩擦系数较低的WS2纳米层交替磁控溅射制备的多层涂层，利用纳米多层涂层的共格外延生长结构抑制位错运动，使最终所得的CrAlN/WS2纳米多层涂层的硬度得到提升，其最大硬度达37.3 GPa。本发明由于WS2纳米层的加入使该CrAlN/WS2纳米多层涂层具有较低的摩擦系数，其与GCr15钢球的摩擦系数低于0.30，从而表现出优异的耐摩擦性能。本发明由于采用反应磁控溅射制备工艺，具有制备工艺简单、沉积速度快、生产效率高、能耗低、对设备要求较低、生产成本低的特点。
本发明和已有技术相比，其技术进步是显著的。本发明的CrAlN/WS2纳米多层涂层采用三元氮化物和硫化物的组合，由CrAlN层和WS2层交替沉积在基体上，形成了具有高硬度和高耐摩擦性能的纳米量级的多层结构，可作为保护涂层，可应用于即要求高硬度、又具有高耐摩擦性能的服役场合。
附图说明
图1是实施例3所得的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的横截面的透射电镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的详细说明，但并不限制本发明。
本发明所用的制备、表征和测量仪器：
JGP-450型磁控溅射系统，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司
D8 Advance型X射线衍射仪，德国Bruker公司
NANO Indenter G200型纳米压痕仪，美国安捷伦科技公司
Tecnai G2 F30型高分辨透射电子显微镜，美国FEI公司
HSR-2M涂层摩擦磨损试验机，兰州中科凯华科技开发有限公司
实施例1
一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，即在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层；
所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的总厚度约为2.0μm，每一CrAlN纳米层的厚度约为5.0nm，每一WS2纳米层的厚度为0.4nm；
所述基体为硬质合金。
上述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，WS2纳米层厚度为0.4nm，WS2层被CrAlN所晶化，为面心立方结构。
上述的一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先，将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水以80-100W分别进行超声波清洗15min；
然后，将超声波清洗后的基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用功率为80-100W射频电源对基体进行离子轰击30min进行离子清洗；
（2）、交替溅射CrAlN层和WS2层
将步骤（1）经离子清洗后的基体置入多靶磁控溅射仪中，在氩、氮混合气氛中交替停留在CrAl合金靶和WS2靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和WS2纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整CrAl靶和WS2靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层；
上述的溅射过程的控制参工艺数为：
所述的CrAl合金靶中，Cr和Al按原子比为1:1，WS2靶的纯度为99.99%；
CrAl合金靶和WS2靶的直径均为75mm；
所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.2Pa；Ar气流量为32sccm，N2气流量为5sccm；
CrAlN纳米层溅射功率120W，时间16s；
WS2纳米层溅射功率80W，时间2s；
靶基距3-7cm；
基体温度为300℃。
上述所得具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层经检测，CrAlN纳米层厚度为5nm，WS2纳米层厚度为0.4nm，具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层总厚度为2.0μm，硬度为36.8GPa，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.24。
实施例2
一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层；
所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的总厚度约为2.5μm，每一CrAlN纳米层的厚度约为5.0nm，每一WS2纳米层的厚度为0.6nm；
所述基体为高速钢。
上述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，WS2纳米层厚度为0.6nm，WS2层被CrAlN所晶化，为面心立方结构。
上述的一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先，将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水以80-100W分别进行超声波清洗10min；
然后，将超声波清洗后的基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用功率为80-100W射频电源对基体进行离子轰击30min进行离子清洗；
（2）、交替溅射CrAlN层和WS2层
将步骤（1）经离子清洗后的基体置入多靶磁控溅射仪中，在氩、氮混合气氛中交替停留在CrAl合金靶和WS2靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和WS2纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整CrAl靶和WS2靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层；
上述的溅射过程的控制参工艺数为：
所述的CrAl合金靶中，Cr和Al按原子比为1:1，WS2靶的纯度为99.99%；
CrAl合金靶和WS2靶的直径均为75mm；
所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.3Pa；Ar气流量为32sccm，N2气流量为5sccm；
CrAlN纳米层溅射功率120W，时间16s；
WS2纳米层溅射功率80W，时间4s；
靶基距3-7cm；
基体温度为300℃。
上述所得具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层经检测，CrAlN纳米层厚度为5nm，WS2纳米层厚度为0.6nm，具有高硬度和高减摩性能的CrAlN/WS2多层涂层总厚度为2.5μm，硬度为37.0GPa，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.26。
实施例3
一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层；
所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的总厚度约为3.0μm，每一CrAlN纳米层的厚度约为5.0nm，每一WS2纳米层的厚度为0.8nm；
所述基体为硬质合金。
上述的一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先，将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水以80-100W分别进行超声波清洗15min；
然后，将超声波清洗后的基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用功率为80-100W射频电源对基体进行离子轰击30min进行离子清洗；
（2）、交替溅射CrAlN层和WS2层
将步骤（1）经离子清洗后的基体置入多靶磁控溅射仪中，在氩、氮混合气氛中交替停留在CrAl合金靶和WS2靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和WS2纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整CrAl靶和WS2靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层；
上述的溅射过程的控制参工艺数为：
所述的CrAl合金靶中，Cr和Al按原子比为1:1，WS2靶的纯度为99.99%；
CrAl合金靶和WS2靶的直径均为75mm；
所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.4Pa；Ar气流量为32sccm，N2气流量为5sccm；
CrAlN纳米层溅射功率120W，时间16s；
WS2纳米层溅射功率80W，时间6s；
靶基距3-7cm；
基体温度为300℃。
上述所得具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层经检测，CrAlN纳米层厚度为5.0nm，WS2纳米层厚度为0.8nm，具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层总厚度为3.0μm，硬度为37.3GPa，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.27。
采用Tecnai G2 F30型高分辨透射电子显微镜(美国FEI公司)对上述所得CrAlN/WS2纳米多层涂层的横截面进行观察，所得的涂层截面的微观组织如图1所示，从图1中可以看出CrAlN纳米层与WS2纳米层之间具有多层结构，每一CrAlN层与WS2层厚度分别为5.0nm和0.8nm，并且可以看出晶格条纹连续的贯穿多个纳米层，表明WS2纳米层被CrAlN所晶化，为面心立方结构，CrAlN纳米层与WS2纳米层之间形成共格外延生长结构，该共格生长界面对位错运动有阻碍作用，使得CrAlN/WS2涂层得到强化。
实施例4
一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层；
所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的总厚度约为3.5μm，每一CrAlN纳米层的厚度约为5.0nm，每一WS2纳米层的厚度为1.0nm；
所述基体为高速钢。
上述的一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先，将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水以80-100W分别进行超声波清洗15min；
然后，将超声波清洗后的基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用功率为80-100W射频电源对基体进行离子轰击30min进行离子清洗；
（2）、交替溅射CrAlN层和WS2层
将步骤（1）经离子清洗后的基体置入多靶磁控溅射仪中，在氩、氮混合气氛中交替停留在CrAl合金靶和WS2靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和WS2纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整CrAl靶和WS2靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层；
上述的溅射过程的控制参工艺数为：
所述的CrAl合金靶中，Cr和Al按原子比为1:1，WS2靶的纯度为99.99%；
CrAl合金靶和WS2靶的直径均为75mm；
所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.6Pa；Ar气流量为50sccm，N2气流量为10sccm；
CrAlN纳米层溅射功率120W，时间16s；
WS2纳米层溅射功率80W，时间8s；
靶基距3-7cm；
基体温度为300℃。
上述所得具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层经检测，CrAlN纳米层厚度为5nm，WS2纳米层厚度为1.0nm，具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层总厚度为3.5μm，硬度为36.6GPa，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.25。
实施例5
一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层；
所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的总厚度约为4.1μm，每一CrAlN纳米层的厚度约为5.0nm，每一WS2纳米层的厚度为1.2nm；
所述基体为氧化硅陶瓷。
上述的一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先，将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水以80-100W分别进行超声波清洗15min；
然后，将超声波清洗后的基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用功率为80-100W射频电源对基体进行离子轰击30min进行离子清洗；
（2）、交替溅射CrAlN层和WS2层
将步骤（1）经离子清洗后的基体置入多靶磁控溅射仪中，在氩、氮混合气氛中交替停留在CrAl合金靶和WS2靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和WS2纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整CrAl靶和WS2靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层；
上述的溅射过程的控制参工艺数为：
所述的CrAl合金靶中，Cr和Al按原子比为1:1，WS2靶的纯度为99.99%；
CrAl合金靶和WS2靶的直径均为75mm；
所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.5Pa；Ar气流量为40sccm，N2气流量为7sccm；
CrAlN纳米层溅射功率120W，时间16s；
WS2纳米层溅射功率80W，时间10s；
靶基距3-7cm；
基体温度为300℃。
上述所得具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层经检测，CrAlN纳米层厚度为5nm，WS2纳米层厚度为1.2nm，具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层总厚度为4.1μm，硬度为36.2GPa，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.24。
综上所述，本发明的一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，由于采用硬度较高的CrAlN纳米层和摩擦系数较低的WS2纳米层交替磁控溅射制备的多层涂层，WS2层可被CrAlN所晶化，呈现出面心立方结构，并与CrAlN保持共格外延生长结构，利用该结构抑制位错运动，使最终所得的CrAlN/WS2纳米多层涂层的硬度得到提升，其最大硬度达37.3 GPa；另外，由于WS2纳米层的加入使该CrAlN/WS2纳米多层涂层具有较低的摩擦系数，其与GCr15钢球的摩擦系数低于0.30，从而表现出优异的耐摩擦性能。因此，该具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层可作为保护涂层，用于即要求高硬度、又具有高耐摩擦性能的服役场合。
以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，其特征在于：在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射沉积形成CrAlN纳米层和WS2纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为WS2纳米层；所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。
2.如权利要求1所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，其特征在于：所述的纳米涂层的总厚度为2.0-4.5μm，每一CrAlN纳米层的厚度为5.0nm，每一WS2纳米层的厚度为0.4-1.2nm。
3.如权利要求2所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层，其特征在于：所述WS2纳米层厚度小于0.8nm时，WS2纳米层为面心立方结构。
4.权利要求1所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1）一个清洗基体的步骤；将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次用丙酮、无水乙醇和去离子水以80-100W分别进行超声波清洗10~20min；将超声波清洗后的基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用功率为80-100W的射频电源对基体进行离子轰击，进行离子清洗；
2）一个交替溅射CrAlN层和WS2层的步骤；将步骤（1）经离子清洗后的基体置入多靶磁控溅射仪中，在氩、氮混合气氛中，交替停留在CrAl合金靶和WS2靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和WS2纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，通过调整CrAl靶和WS2靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得具有高硬度和高减摩性能的CrAlN/WS2多层涂层；
上述的溅射过程的控制参工艺数为：
a)所述的CrAl合金靶中，Cr和Al按原子比为1:1，WS2靶的纯度为99.99%；
b)CrAl合金靶和WS2靶的直径均为75mm；
c)所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.2Pa-0.6Pa；Ar气流量为20-50sccm，N2气流量为3-15sccm；
d)CrAlN纳米层溅射功率120W，时间16s；
e)WS2纳米层溅射功率80W，时间2-10s；
f)靶基距5-7cm；
g)基体温度为300℃。
5.如权利要求4所述的具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述的多靶磁控溅射仪为中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司生产的JGP-450型磁控溅射系统。
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|---|---|---|---|---|
| CN104002516A (zh) * | 2014-06-10 | 2014-08-27 | 上海理工大学 | 一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/MoS2多层涂层及其制备方法 |
| CN104451542A (zh) * | 2014-12-05 | 2015-03-25 | 大连维钛克科技股份有限公司 | 一种耐高温高硬度低摩擦系数的多层涂层及其制备方法 |
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