CN108484226B - 一种陶瓷基材用低磨损pvd涂层体系及其制备的制品 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷基材用低磨损PVD涂层体系及其制备的制品，所述涂层体系包含至少一个涂层(A):Ti_aX_(1‑a)C_rN_sO_t；其中X为Si或Al，0.5≤a＜1，r+s+t＝1，并且涂层的厚度为0.5μm‑2μm；和至少一个涂层(B):MoN，并且涂层的厚度为30nm‑0.5μm；采用物理气相沉积(PVD)工艺将上述涂层(A)和涂层(B)先后涂覆于基材上。本发明的有益效果是：提供一种与陶瓷基材粘着力好，高耐磨，改善摩擦性能，耐磨损，高弹性模量，高温稳定性，使用寿命长的陶瓷基材用低磨损PVD涂层体系，制备的涂层体系具有＞400Gpa的弹性模量，具有3800‑4200的维氏硬度，表面粗糙度≤0.3微米，3次操作后的最大磨损量≤0.03mm。

Description

一种陶瓷基材用低磨损PVD涂层体系及其制备的制品

技术领域

本申请涉及一种PVD涂层领域，特别涉及一种陶瓷基材用低磨损PVD涂层体系。

背景技术

PVD技术是对物理气相沉积表面处理技术的称谓，PVD涂层工艺是一种纳米级环保无污染的表面处理方法。PVD涂层能够实现在不影响工件原来尺寸的情况下，提高材料表面的硬度，耐磨，耐热，耐腐蚀性能。

工件如刀具等的基材常采用硬质合金材料，金属陶瓷材料或高速钢等材料制作而成，硬质合金是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料，具有硬度高，耐磨，强度和韧性较好，耐热、耐腐蚀等优点；金属陶瓷是由陶瓷硬质与金属或合金粘结相组成的结构材料，金属陶瓷保持了陶瓷的高强度、硬度、耐高温、耐磨损、抗氧化性和化学稳定性等特性，又具有较好的金属韧性和可塑性；高速钢是一种具有高硬度、高硬度、高耐磨性和高耐热性的共聚钢。陶瓷材料指无机非金属材料，大多是氧化物、氮化物、硼化物和碳化物等，具有高熔点、高硬度、高耐磨性，耐氧化等优点。

为了提高陶瓷制品的硬度，耐磨损以及提高使用寿命，使用抗磨保护涂层是现有技术状况。现有技术中制品多采用硬质合金或高速钢作为集体，采用物理气相沉积方法在基体上先后涂覆耐磨硬层，通常采用含有Al、Cr、Ti、Zr、Si、Hf、Nb、Ni、W、Ta、B、V、Y、Cu等的碳化物、氧化物或氮化物沉积形成耐磨硬涂层，再涂覆中间层、减摩层等形成涂层体系。

本发明的目的在于提供一种与陶瓷基体表面粘着力好，高耐磨，改善摩擦性能，耐磨损，高弹性模量，高温稳定性，使用寿命长的陶瓷基材用低磨损PVD涂层。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种陶瓷基材用低磨损PVD涂层体系，所述涂层体系包含：

至少一个涂层(A):Ti_aX_(1-a)C_rN_sO_t；

其中X为Si或Al，0.5≤a＜1，r+s+t＝1，并且涂层的厚度为0.5μm-2μm；

和至少一个涂层(B):MoN，并且涂层的厚度为30nm-0.5μm；

采用物理气相沉积(PVD)工艺将上述涂层(A)和涂层(B)先后涂覆于基材上。

本发明还提供了一种陶瓷制品，制品由陶瓷材料制成的基体、和采用物理气相沉积(PVD)工艺施加在基体上的涂层体系，所述涂层体系包含：

至少一个涂层(A):Ti_aX_(1-a)C_rN_sO_t；

其中X为Si或Al，0.5≤a＜1，r+s+t＝1，并且涂层的厚度为0.5μm-2μm；

和至少一个涂层(B):MoN，并且涂层的厚度为30nm-0.5μm。

令人意外的是，所述的低磨损PVD涂层体系制备的制品具有改进的耐磨性能和较低的磨损。施加上述的涂层体系，制备的PVD涂层与陶瓷基底附着力好，高耐磨，低磨损，高弹性模量，高温稳定性好。

具有Ti_aX_(1-a)C_rN_sO_t涂层(A)对本发明PVD涂层的高耐磨性能，高附着力，高弹性模量，更长的使用寿命是有利的。

具有MoN层(B)尽管厚度小，但对于降低PVD涂层的粗糙度，降低涂层的磨损性能是有利的。

在本发明的另一个优选的实施方式中，具有Ti_aX_(1-a)C_rN_sO_t层(A)为TiAlN或TiSiN，层A与基材表面直接接触，该选择对于提高涂层在基材表面上的粘着力是有利的。

在本发明另一个优选的实施方式中，特别优选地层(A)具有1.0至2.0μm的厚度，层(B)具有0.1至0.5μm的厚度，这是因为涂层厚度过低，由于过度研磨、摩擦或磨损导致陶瓷基材出现过早磨损，如果厚度过高，会导致磨损区域涂层总应力过高。

在本发明的另一个优选的实施方式中，特别优选层(A)中a≥0.8，对于涂层的硬度和高弹性膜量是有利的，涂层中Si或Al的含量过高对于涂层的硬度或高温稳定性是不利的。

在另外的实施形式中，本发明的涂层体系中还可包括其它的硬质材料层，但前提是不会显著损害本发明工具的性能。

本申请提供一种与陶瓷基材粘着力好，高耐磨，改善摩擦性能，耐磨损，高弹性模量，高温稳定性，使用寿命长的陶瓷基材用低磨损PVD涂层体系，具体地制备的涂层体系具有＞400Gpa的弹性模量，具有3800-4200的维氏硬度，表面粗糙度≤0.3微米，3次操作后的最大磨损量≤0.03mm。

具体实施方式

通过以下具体实施方式对本申请的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明中通过PVD工艺制备涂层，可采用真空蒸发镀、离子镀或磁控溅射镀等方法来形成所述涂层。使用具有旋转基底载体的来自Balzers的Innova涂覆装置来沉积本发明涂层。对于靶材，使用熔融冶金或粉末冶金制造的Ti-Al或Ti-Si靶材来制造层(A)，使用Mo靶材来制造层(B)，并在下列条件下通过使用电弧气相沉积来形成所述涂层：

总压力为0.1Pa至10Pa的N2和Ar气氛中，优选在纯N₂中；

温度在300-700℃之间，偏压在50-200V之间，蒸发电流在80-200A之间。

采用德国施文宁根HOMMEL-ETAMIC股份有限公司的HOMMEL-ETAMIC TUBBO WAVEV7.3测量装置(传感器：TKU300-96625_TKU300/TSI；测量范围：80微米；测试距离：4.8mm，速度：0.5mm/s)测量表面粗糙度。

采用纳米压痕来测量硬度和弹性模量，使用来自德国辛德尔芬根Helmut Fischer股份有限公司的Fischerscope H100XYp测定涂层的硬度和和弹性模量。

通过切削测试比较工件表面上涂层的磨损程度，给出的结果基于对每个工件每个操作3次的最大磨损值，每次试验进行2次测试取平均值。

实施例1制造：

层(A):电弧气相沉积；Ti-Al混合靶材(Ti：Al＝80:20)，沉积TiAlN涂层，其中r＝0，s＝1，t＝0，偏压：150V；5PaN₂；120A蒸发器电流，沉积温度为550℃；

层厚度：1μm；

层(B):电弧气相沉积：Mo靶材，沉积MoN涂层，偏压120V；3Pa N₂；150A蒸发器电流，沉积温度500℃。

层厚度：0.2μm。

其它实施例和对照例采用相同的偏压、N₂压力，蒸发器电流和沉积温度，其它具体条件的选择如表1中所示，对得到的涂层以及涂覆有涂层的制品进行硬度，弹性模量，表面粗糙度和磨损量的评价，将结果示于表1中。

表1

通过表1中的数据可知，实施例1-7制备的PVD涂层具备优异的硬度和弹性模量，较低的表面粗糙度和最大磨损量。通过实施例1与对比例6、对比例8的比较可知，层(A)中组分的选择以及组分用量的选择对于提高涂层的硬度和弹性模量均是有利的，还能在一定程度上降低表面粗糙度和磨损量。比较实施例1与对比例7的比较可知，层(B)组分的选择对于降低表面粗糙度和降低磨损量是非常有利的。

以上所述仅是本发明优选的实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的构思的前提下经修饰、变化或直接导出的改进和变化，均属本发明主张的保护范围。

Claims (4)

1.一种低磨损PVD涂层体系在陶瓷基材中的应用，其特征在于，所述涂层体系为：

一个涂层A：Ti_aX_(1-a)C_rN_sO_t；

其中X为Si或Al，0.8≤a＜1，r+s+t＝1，并且涂层的厚度为0.5μm-2μm；

和至少一个涂层B：MoN，并且涂层的厚度为0.1μm-0.2μm；

采用物理气相沉积(PVD)工艺将上述涂层A和涂层B先后涂覆于基材上。

2.根据权利要求1所述的PVD涂层体系在陶瓷基材中的应用，其特征在于，所述涂层A为TiAlN或TiSiN的涂层。

3.根据权利要求1所述的PVD涂层体系在陶瓷基材中的应用，其特征在于，所述涂层A的厚度为1.0-2.0μm。

4.一种陶瓷制品，包含陶瓷基体和涂覆于基体上的涂层，其特征在于：所述涂层体系为：

一个涂层A：Ti_aX_(1-a)C_rN_sO_t；

其中X为Si或Al，0.8≤a＜1，r+s+t＝1，并且涂层的厚度为0.5μm-2μm；

和至少一个涂层B：MoN，并且涂层的厚度为0.1μm-0.2μm；

采用物理气相沉积(PVD)工艺将上述涂层A和涂层B先后涂覆于基材上。