CN107130211A - 一种含有CNx纳米插入层的CrAlN涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种含有CNx纳米插入层的CrAlN涂层，在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射CrAlN纳米层和CNx纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为CNx纳米层；所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。本发明还提供了上述纳米多层涂层的制备方法，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合金靶和石墨靶之前，通过调整CrAl靶和石墨靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得到一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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

一种含有CNx纳米插入层的CrAlN涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于材料学领域，涉及一种高硬度、低摩擦系数的保护性涂层，具体来说是一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层及其制备方法。
背景技术
随着制造业的飞速发展，对刀具性能提出了越来越高的要求，高速、干式切削不仅要求刀具要具有超高硬度，更要求其具有良好的耐磨擦磨损性能和耐腐蚀性能等。涂层刀具是解决这些问题的最简单有效的方法之一。纳米多层涂层由于其材料组成的多样性所带来的性能的多样性而成为多年来研究热点，也取得了良好的成果。性能良好的新型纳米多层涂层能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高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、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。
纳米多层膜是由两种或两种以上具有不同成分或结构的材料在薄膜生长方向上以纳米量级相互交替沉积而形成的多层结构。在陶瓷多层膜中，当调制周期在某一范围时，出现硬度异常上升，即所谓的超硬效应，引起了众多学者的广泛关注。Yang等首先在对Au-Ni和Cu-Pd纳米多层膜中发现硬度和模量异常升高的“超硬效应”；Xu等研究了多晶NbN/TaN，TaN/NbN纳米多层膜的力学性能；Sung Hoon Kim和Chu等对超晶格TiN/NbN和TiN/VN等薄膜进行了调制周期与硬度关系的研究，同样发现了硬度异常升高的“超硬效应”。解释薄膜超硬效应理论主要有：界面应变协调理论，模量差理论，和量子电子理论等。
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，并出现了超硬效应，取得不少有益的成果。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200910193490.0的专利涉及了一种自润滑硬质纳米复合多层涂层及其制备方法。该纳米梯度复合多层涂层是在硬质合金或钢铁基体上，TiN作为结合层，由过渡层TiN膜和金属陶瓷化合物+MoS2纳米复合多层组成结构为TiN/金属陶瓷化合物+MoS2复合多层涂层；金属陶瓷化合物为TiCN或TiAlN。涂层制备方法包括工件预加热、工件表面清洗刻蚀、过渡层制备、(金属陶瓷化合物+MoS2)纳米多层制备等步骤。本发明采用物理气相沉积技术，制备具有TiN/(金属陶瓷化合物+MoS2)纳米复合结构的自润滑涂层，保持TiCN、TiAlN化合物的优异性能，同时涂层兼备了较低的摩擦系数，涂层硬度高于28GPa，涂层的摩擦系数低于0.1。
申请号为200710036185.1 的专利涉及了一种切削不锈钢用的物理气相沉积纳米多层涂层及其制备方法，本发明公开了一种切削不锈钢用的PVD纳米多层涂层及其制备方法，具体制作工艺如下：(A)将硬质合金基体做表面清洁处理；(B)接着在真空条件下，采用多靶磁控溅射方法在旋转运动的硬质合金基体上交替沉积以TiN/(TixAl1-x)N/(TiyAl1-y)N/(TixAl1-x)N为调制周期的纳米多层涂层，采用Ar2为溅射气体，Ar的流量为180~300cm3/s，Ar的分压为0.17~0.9Pa，反应气体为N2，并通过控制N2的分压来控制总压。本发明将具有优良高温抗氧化性能的高Al含量TiAlN引入到多层涂层材料体系中，提高了涂层的高温抗氧化性能和硬度，通过显微结构优化设计，改善了涂层的韧性，使该种涂层在具有高温抗氧化性能的同时，还获得了优异的力学性能。本发明所制备的纳米多层涂层在不锈钢切削加工中具有很大的应用价值。
申请号为201310184346.7 专利涉及氮化铬/氮化硼钛纳米复合多层涂层刀具及其制备方法。氮化铬/氮化硼钛纳米复合多层涂层刀具，至少包括刀具基体、耐磨层以及沉积在刀具基体上的结合层，还包括有缓冲层和应力梯度层，缓冲层附着在结合层上，应力梯度层附着在缓冲层上，耐磨层附着在应力梯度层上，其中结合层由高能Cr离子轰击而成，缓冲层由低能Cr离子沉积而成，应力梯度层为CrN，耐磨层为CrN和TiBN交替层叠而成的纳米多层复合涂层。涂层刀具不但具有较好的耐磨性能，同时由于多层结构具有良好的耐腐蚀性能。本发明同时还提供了上述刀具的制备方法，制备中所使用的设备以及工艺均简单，制备过程易控制，具有良好的工业应用前景。
申请号为201410253262.9 的专利涉及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。所述CrAlN/MoS2多层涂层，即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MoS2纳米层，靠近基体为CrAlN纳米层，最上层为MoS2纳米层。CrAlN/MoS2多层涂层总厚度2.0-4.5μm，每一CrAlN纳米层厚度5.0nm，每一MoS2纳米层厚度0.2-1.4nm。其制备方法，即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MoS2靶之前，通过调整CrAl靶和MoS2靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得CrAlN/MoS2多层涂层。
申请号为200910193492.X的专利涉及TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层及其制备方法。该纳米复合多层涂层是在材质为硬质合金、高速钢、耐热模具钢的工具或模具基体上，依次由过渡层TiN膜、(TiN+CrN)纳米复合多层和CrAlN纳米复合多层组成结构为TiN/(TiN+CrN)/Ti(CN)多层金属氮化物陶瓷涂层。其制备方法包括预加热、表面清洗刻蚀、过渡层制备、(TiN+CrN)复合纳米多层层制备和CrAlN纳米复合多层制备等步骤。本发明通过适当的涂层结构设计改善了CrAlN系列涂层同基体的结合力，维持了CrAlN涂层的高硬度和高温性能。
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，硬度和抗摩擦磨损性能有待提升，具有生产效率低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，本发明提供了一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层及其制备方法，所述的这种具有高硬度和低摩擦系数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。
本发明提供了一种含有CNx纳米插入层的CrAlN涂层，在基体上通过多靶磁控溅射的方式交替溅射CrAlN纳米层和CNx纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为CNx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1.5-3.0μm。
进一步的，所述CrAlN纳米层的厚度为5.0nm，CNx纳米层的厚度为0.4-1.2nm。
本发明还提供了上述的一种含有CNx纳米插入层的CrAlN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20-30min；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20~40min，进行离子清洗；
2)一个交替溅射CrAlN层和CNx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合金靶和石墨靶之前，通过溅射获得由CrAlN纳米层和CNx纳米层交替叠加的涂层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为CNx纳米层；调整CrAl靶和石墨靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得到有CNx纳米插入层的CrAlN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，石墨靶的纯度为99.99%；
b)CrAl合金靶和石墨靶的直径均为75mm；
c)所述的氩、氮混合气氛中，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)CNx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纳米层和具有结构多样性的CNx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，使最终所得的含有CNx纳米插入层的CrAlN涂层的硬度得到提升，其最大硬度达37.2GPa。本发明由于CNx纳米层的插入使CrAlN/CNx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。本发明的一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层，由CrAlN层和CNx层交替沉积在基体上，形成了具有高硬度和低摩擦系数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、又对摩擦性能要求较高的服役场合。
具体实施方式
下面通过具体实施例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
一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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CNx纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为CNx纳米层；
所述的含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层的总厚度约为1.5μm，CrAlN纳米层的厚度约为5.0nm，CNx纳米层的厚度为0.4nm；
所述基体为硬质合金。
上述的含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层，CNx纳米层厚度为0.4nm，CNx层被CrAlN所晶化，为面心立方结构。
上述的含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层，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20min；
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CNx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C（石墨）靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和CNx纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整CrAl靶和C（石墨）靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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，C（石墨）靶的纯度为99.99%；
CrAl合金靶和C（石墨）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；
CNx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，CNx纳米层厚度为0.4nm，含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层总厚度为1.5μm，硬度为29.8GPa，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.24。
实施例2
一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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CNx纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为CNx纳米层；
所述的含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层的总厚度约为1.8μm，CrAlN纳米层的厚度约为5.0nm，CNx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，CNx纳米层厚度为0.6nm，CNx层被CrAlN所晶化，为面心立方结构。
上述的一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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20min；
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CNx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C（石墨）靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和CNx纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整CrAl靶和C（石墨）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低摩擦系数的纳米涂层；
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，C（石墨）靶的纯度为99.99%；
CrAl合金靶和CNx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；
CNx纳米层溅射功率80W，时间4s；
靶基距3-7cm；
基体温度为300℃。
上述所得含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层经检测，CrAlN纳米层厚度为5nm，CNx纳米层厚度为0.6nm，含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层总厚度为2.0μm，硬度为34.0GPa，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.29。
实施例3
一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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CNx纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为CNx纳米层；
所述的含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层的总厚度约为2.2μm，每一CrAlN纳米层的厚度约为5.0nm，每一CNx纳米层的厚度为0.8nm；
所述基体为硬质合金。
上述的一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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30min；
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CNx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CNx靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和CNx纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整CrAl靶和CNx靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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，C（石墨）靶的纯度为99.99%；
CrAl合金靶和C（石墨）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；
CNx纳米层溅射功率80W，时间6s；
靶基距3-7cm；
基体温度为300℃。
上述所得含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层经检测，CrAlN纳米层厚度为5.0nm，CNx纳米层厚度为0.8nm，含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层总厚度为2.7μm，硬度为37.2GPa，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.24。
实施例4
一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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CNx纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为CNx纳米层；
所述的一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层的总厚度约为2.6μm，每一CrAlN纳米层的厚度约为5.0nm，每一CNx纳米层的厚度为1.0nm；
所述基体为高速钢。
上述的一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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30min；
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CNx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CNx靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和CNx纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整CrAl靶和CNx靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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，C（石墨）靶的纯度为99.99%；
CrAl合金靶和C（石墨）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；
CNx纳米层溅射功率80W，时间8s；
靶基距3-7cm；
基体温度为300℃。
上述所得一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层经检测，CrAlN纳米层厚度为5nm，CNx纳米层厚度为1.0nm，含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层总厚度为2.6μm，硬度为33.6GPa，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.25。
实施例5
一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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CNx纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为CNx纳米层；
所述的含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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CNx纳米层的厚度为1.2nm；
所述基体为氧化硅陶瓷。
上述的一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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35min；
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CNx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CNx靶之前，通过溅射获得由多个CrAlN纳米层和CNx纳米层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整CrAl靶和CNx靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得到含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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，C（石墨）靶的纯度为99.99%；
CrAl合金靶和C（石墨）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；
CNx纳米层溅射功率80W，时间10s；
靶基距3-7cm；
基体温度为300℃。
上述所得含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层经检测，CrAlN纳米层厚度为5nm，CNx纳米层厚度为1.2nm，含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层总厚度为3.0μm，硬度为30.2GPa，在与GCr15钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.28。
综上所述，本发明的一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层，由于采用硬度较高且综合力学性能良好的CrAlN纳米层和具有结构多样性的CNx纳米层交替磁控溅射制备的多层涂层，CNx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，使最终所得的含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层的硬度得到提升，其最大硬度达37.2GPa；另外，由于CNx纳米层的加入使该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，该含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN涂层可用作保护性涂层，可用于高速、干式切削刀具涂层和其他对摩擦性能要求较高的器具表面
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)

1.一种含有CNx纳米插入层的CrAlN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CrAlN纳米层和CNx纳米层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为CNx纳米层；所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。
2.如权利要求1所述的一种含有CNx纳米插入层的CrAlN涂层，其特征在于：所述的纳米涂层的总厚度为1.5-3.0μm。
3.如权利要求2所述的一种含有CNx纳米插入层的CrAlN涂层，其特征在于：所述CrAlN纳米层的厚度为5.0nm，CNx纳米层的厚度为0.4-1.2nm。
4.权利要求1所述的一种含有CNx纳米插入层的CrAlN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20-30min；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20～40min，进行离子清洗；
2)一个交替溅射CrAlN层和CNx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合金靶和石墨靶之前，通过溅射获得由CrAlN纳米层和CNx纳米层交替叠加的涂层，靠近基体的一层为CrAlN纳米层，最外侧的一层为CNx纳米层；调整CrAl靶和石墨靶的功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度，最终得到有CNx纳米插入层的CrAlN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，石墨靶的纯度为99.99％；
b)CrAl合金靶和石墨靶的直径均为75mm；
c)所述的氩、氮混合气氛中，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)CNx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所述的一种含有CNx纳米插入层的高硬度、低摩擦系数CrAlN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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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111139440A (zh) * 2020-03-05 2020-05-12 上海仟纳真空镀膜科技有限公司 一种含有碳化硅纳米插入层的涂层及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN106521438A (zh) * 2016-11-08 2017-03-22 上海理工大学 一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层及其制备方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN106521438A (zh) * 2016-11-08 2017-03-22 上海理工大学 一种具有高硬度和高减摩性能的纳米涂层及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张祥林等: "高温固体自润滑涂层的发展", 《新技术新工艺》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111139440A (zh) * 2020-03-05 2020-05-12 上海仟纳真空镀膜科技有限公司 一种含有碳化硅纳米插入层的涂层及其制备方法

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