本發(fā)明屬于材料涂層領(lǐng)域，具體涉及一種高溫耐磨CrAlSiON基納米復(fù)合涂層及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

近年來，在工模具、機(jī)械零部件等產(chǎn)品上涂覆金屬氮化物來提高產(chǎn)品表面性能和使用壽命的方法已經(jīng)成為一種廣泛應(yīng)用的表面改性技術(shù)。涂層的制備技術(shù)主要有化學(xué)氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)兩類，但是CVD技術(shù)存在反應(yīng)氣體會(huì)腐蝕設(shè)備、環(huán)境污染等一系列問題，因此自九十年代中期以來物理氣相沉積(PVD)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。隨著PVD技術(shù)的進(jìn)步，硬質(zhì)涂層經(jīng)歷了以下四個(gè)發(fā)展階段：(1)簡單二元涂層(TiN、TiC)；(2)三元或四元固溶涂層(TiAlN、TiCN、TiAlCN等)；(3)多層或超晶格結(jié)構(gòu)涂層(TiN/TiC/TiN多層、TiN/TiAlN/TiN多層、TiN/AlN超晶格等)；(4)納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層(TiSiN、TiAlSiN等)。新型的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，由于Si元素的摻入形成了非晶態(tài)的Si₃N₄包裹著納米尺寸的金屬氮化物晶體，使得涂層具有超高硬度(>40GPa)、高韌性、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性和熱硬性(>1000℃)、符合現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)涂層的高硬度、高韌性以及高耐磨性的要求。

一般工業(yè)型硬質(zhì)涂層沉積設(shè)備，真空度基本在10^-3量級(jí)，因此涂層會(huì)含有一定量的氧雜質(zhì)，這些氧雜質(zhì)影響涂層的結(jié)構(gòu)和性能。過高的真空度勢(shì)必增加設(shè)備和工藝成本，不利于涂層的廣泛推廣使用。傳統(tǒng)的硬質(zhì)涂層的摩擦系數(shù)較高，在摩擦過程中不僅會(huì)加劇磨損，而且在高溫環(huán)境下會(huì)導(dǎo)致涂層產(chǎn)生氧化、熱疲勞等現(xiàn)象。

高性能的涂層刀具已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，是切削加工中重要的環(huán)節(jié)之一。第四代納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層(TiSiN、TiAlSiN等)，由于納米晶體的強(qiáng)化效應(yīng)及非晶層限制晶粒的滑移和轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)納米晶晶界的強(qiáng)化作用，涂層表現(xiàn)出傳統(tǒng)硬質(zhì)涂層難以達(dá)到的高硬度，從而能適應(yīng)高速切削條件下對(duì)硬質(zhì)涂層的苛刻要求。但MeSiN(Me：Ti，Cr等)納米復(fù)合的推廣和應(yīng)用還存在著大量丞待解決的問題，比如在切削條件下涂層的抗裂紋擴(kuò)展能力以及抗高溫氧化性能差等。因此，提高氧氮化物涂層高的韌性以及硬度成為亟需解決的問題，目前，含有氧元素且低成本的新型CrAlSiON基納米復(fù)合涂層尚未見報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種高溫耐磨CrAlSiON基納米復(fù)合涂層。該涂層具有應(yīng)力低、膜-基結(jié)合力強(qiáng)、抗高溫摩擦磨損性能和熱穩(wěn)定性能良好的高溫耐磨損的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述高溫耐磨CrAlSiON基納米復(fù)合涂層的制備方法。該方法采用具有離化率高、涂層沉積速度高、膜基結(jié)合力強(qiáng)的特點(diǎn)的陰極電弧離子鍍工藝，制備方法簡單，可操作性強(qiáng)，可控性好，降低了對(duì)鍍膜設(shè)備真空度的要求，適用于高硬度鋼的高速切削加工，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

本發(fā)明的再一目的在于提供上述高溫耐磨CrAlSiON基納米復(fù)合涂層的應(yīng)用。

本發(fā)明上述目的通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種高溫耐磨CrAlSiON基納米復(fù)合涂層，包括AlTiN過渡層、CrAlSiN支撐層和CrAlSiON功能層。

優(yōu)選地，所述AlTiN過渡層中各元素的原子百分比含量為：Al:25～35at.％，Ti:15～20at.％，N:25～45at.％；所述CrAlSiN支撐層中各元素的原子百分比含量為：Al:25～30at.％，Cr:20～25at.％，Si:1～10at.％，N:45～50at.％；所述CrAlSiON功能層中各元素的原子百分比含量為：Al:20～35at.％，Cr:10～20at.％，Si:2～12at.％，O:5～43at.％，N:10～53at.％。

優(yōu)選地，所述AlTiN過渡層、CrAlSiN支撐層和CrAlSiON功能層的厚度分別為1.5～3.5μm、0.5～2.5μm和0.5～2.5μm。

上述高溫耐磨CrAlSiON基納米復(fù)合涂層的制備方法，包括下述具體步驟：

S1.金屬基體清洗：將金屬基體拋光處理，然后先后用丙酮和酒精超聲清洗10～20min，再用氮?dú)獯蹈珊笱b入真空室內(nèi)；

S2.Ar和金屬離子轟擊：打開加熱器升溫至300～500℃，將真空室抽真空至真空度1.0～8.0×10^-3Pa以下；然后通入200～300sccm的Ar氣，設(shè)置工件支架偏壓-800～-1000V，對(duì)金屬基體表面進(jìn)行濺射清洗，轟擊時(shí)間10～20min；再將偏壓降至-600～-800V，點(diǎn)燃AlTi靶，靶材電流60～150A，用高能Al離子和Ti離子轟擊金屬基體3～15min；

S3.沉積AlTiN過渡層：采用電弧離子鍍法，將偏壓調(diào)至-100～-200V，通入200～300sccm的N₂氣，調(diào)節(jié)氣壓至1.0～3.0Pa，點(diǎn)燃AlTi靶，沉積AlTiN過渡層15～40min；

S4.沉積CrAlSiN支撐層：采用電弧離子鍍法，通入N₂，控制氣壓在1.0～3.0Pa，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流60～150A，偏壓-60～-150V，沉積1～2h；

S5.沉積CrAlSiON功能層：采用電弧離子鍍法，通入O₂，控制氣壓在1.0～3.0Pa，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流60～150A，偏壓-60～-150V，沉積1～2h；

S6.關(guān)閉電弧電源，待真空室溫度降至室溫，打開真空室取出金屬基體，在金屬基體表面形成的涂層，即為高溫耐磨CrAlSiON基納米復(fù)合涂層。

優(yōu)選地，步驟S1、S2和S6中所述金屬基體為硬質(zhì)合金。

優(yōu)選地，所述高能Al離子和Ti離子為在偏壓-600～-800時(shí)得到的高能Al離子和Ti離子。

優(yōu)選地，步驟S2和S3中所述AlTi靶的各元素原子百分比為Al：55～70at.％，Ti：20～35at.％。

優(yōu)選地，步驟S4和S5中所述CrAlSi靶的各元素原子百分比為Al：20～35at.％，Cr：55～70at.％，Si：5～20at.％。

優(yōu)選地，步驟S4中所述N₂占反應(yīng)氣體N₂和O₂總和的75～98％，步驟S5中所述O₂占反應(yīng)氣體N₂和O₂總和的2～25％。

上述CrAlSiON基納米復(fù)合涂層在刀具和表面防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

本發(fā)明設(shè)計(jì)制備出CrAlSiON基納米復(fù)合涂層，以提高氧氮化物涂層的韌性和硬度。相比TiAl基氮化物涂層，AlCr基氮化物涂層具有更高的Al溶解度。AlCrON涂層因O元素?fù)诫s從單純共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x子鍵和共價(jià)鍵共存的結(jié)構(gòu)。因此，該涂層相比于氧化物(如Al₂O₃等)脆性降低，同時(shí)又具有高于AlCrN涂層的高溫穩(wěn)定性、切削性能和阻礙加工工件組元擴(kuò)散的能力。AlCrSiN涂層因?qū)i元素溶解度較低而形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)(nc-CrAlN/a-Si₃N₄)，其晶粒為5-10nm。納米晶具有比較高的硬度，非晶相具有高的結(jié)構(gòu)彈性，兩相界面有高的內(nèi)聚能，因此，CrAlSiON納米復(fù)合涂層具有高硬度(>40GPa)、高韌性、良好的耐磨性和抗高溫氧化性等。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

1.本發(fā)明將氧元素引入CrAlSiON基納米復(fù)合涂層，通過沉積條件的改變控制氧在涂層中的存在形式，使涂層中預(yù)先形成一種或多種摩擦系數(shù)低和耐磨損的氧化物，提高了涂層之間的結(jié)合力，同時(shí)也降低了壓應(yīng)力和高溫條件下涂層之間的摩擦系數(shù)，改善了涂層抗摩擦磨損性能和熱穩(wěn)定性能。

2.本發(fā)明通過控制O₂的流入制備出AlTiN/CrAlSiN/CrAlSiON納米復(fù)合涂層，不僅提高了涂層之間的結(jié)合力，同時(shí)也提高了涂層的抗裂紋擴(kuò)展能力，使涂層可以適用于惡劣條件下的高速切削高硬度鋼。

3.本發(fā)明的制備方法簡單，可操作性強(qiáng)，可控性好，降低了對(duì)鍍膜設(shè)備真空度的要求，適用于高硬度鋼的高速切削加工，在刀具及表面防護(hù)領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明CrAlSiON基納米復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是實(shí)施例2所得CrAlSiON基納米復(fù)合刀具涂層的切削壽命和氧流量的關(guān)系圖。

圖3是實(shí)施例2所得CrAlSiON基納米復(fù)合涂層的刀具與工業(yè)上常用刀具涂層的切削壽命對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，但不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。若未特別指明，實(shí)施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。除非特別說明，本發(fā)明采用的試劑、方法和設(shè)備為本技術(shù)領(lǐng)域常規(guī)試劑、方法和設(shè)備。

實(shí)施例1

高溫耐磨CrAlSiON基納米復(fù)合涂層，包括AlTiN過渡層、CrAlSiN支撐層和CrAlSiON功能層。AlTiN過渡層中各元素的原子百分比含量為：Al:28at.％，Ti:16at.％，N:56at.％。CrAlSiN支撐層中各元素的原子百分比含量為：Al:23at.％，Cr:14at.％，Si:7at.％，N:56at.％。CrAlSiON功能層中各元素的原子百分比含量為：Al:20at.％，Cr:10at.％，Si:12at.％，O:5at.％，N:53at.％。

將硬質(zhì)合金拋光處理，經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗10min，再用氮?dú)獯蹈珊笱b入真空室內(nèi)。打開加熱器升溫至300℃，真空室抽真空至真空度1.0×10^-3Pa以下。通入300sccm的Ar氣，設(shè)置工件支架偏壓-1000V，對(duì)硬質(zhì)合金表面進(jìn)行濺射清洗，轟擊時(shí)間10min。之后將偏壓降至-600V，點(diǎn)燃AlTi靶，靶材電流150A，用高能Al、Ti離子轟擊基體15min。將偏壓調(diào)至-200V，通入300sccm的N₂氣，調(diào)節(jié)氣壓至3.0Pa，沉積AlTiN過渡層50min。通入N₂，控制氣壓在1.0Pa，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流60A，偏壓-150V，沉積時(shí)間20min。通入O₂，控制氣壓在1.0Pa，O₂/O₂+N₂比例為2％，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流60A，偏壓-150V，沉積時(shí)間20min。完成鍍膜后，待真空室溫度降至室溫，打開真空室取出基體。AlTiN過渡層、CrAlSiN支撐層和CrAlSiON功能層的厚度分別為2μm、1μm和1μm。

圖1為高溫耐磨損CrAlSiON基多層納米復(fù)合涂層的結(jié)構(gòu)示意圖。從圖1中可知，該結(jié)構(gòu)為復(fù)合涂層主要包括硬質(zhì)合金基體1，AlTi金屬結(jié)合層2，AlTiN過渡層3，CrAlSiN支撐層4以及CrAlSiON功能層5。其中，AlTiN過渡層3、CrAlSiN支撐層4和CrAlSiON功能層5的各層均采用電弧離子鍍工藝制備。AlTiN過渡層提高了膜基的結(jié)合力，CrAlSiN支撐層為CrAlSiON功能層提供有力支撐。CrAlSiON功能層的應(yīng)力低，膜基結(jié)合好，高溫條件下耐磨損性好，適用于高硬度鋼的高速切削。

實(shí)施例2

高溫耐磨CrAlSiON基納米復(fù)合涂層，包括AlTiN過渡層、CrAlSiN支撐層和CrAlSiON功能層。AlTiN過渡層中各元素的原子百分比含量為：Al:27at.％，Ti:17at.％，N:56at.％。CrAlSiN支撐層中各元素的原子百分比含量為：Al:22at.％，Cr:15at.％，Si:6at.％，N:57at.％。CrAlSiON功能層中各元素的原子百分比含量為：Al:25at.％，Cr:15at.％，Si:10at.％，O:15at.％，N:35at.％。

將硬質(zhì)合金拋光處理，經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗15min，再用氮?dú)獯蹈珊笱b入真空室內(nèi)。打開加熱器升溫至350℃，真空室抽真空至真空度5.0×10^-3Pa以下。通入250sccm的Ar氣，設(shè)置工件支架偏壓-800V，對(duì)硬質(zhì)合金表面進(jìn)行濺射清洗，轟擊時(shí)間20min。之后將偏壓降至-800V，點(diǎn)燃AlTi靶，靶材電流150A，用高能Al、Ti離子轟擊基體15min。將偏壓調(diào)至-200V，通入300sccm的N₂氣，調(diào)節(jié)氣壓至3.0Pa，沉積AlTiN過渡層50min。通入N₂，控制氣壓在1.0Pa，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流60A，偏壓-150V，沉積時(shí)間20min。通入O₂，控制氣壓在1.5Pa，O₂/O₂+N₂比例為4％，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流80A，偏壓-120V，沉積時(shí)間20min。完成鍍膜后，待真空室溫度降至室溫，打開真空室取出基體。AlTiN過渡層、CrAlSiN支撐層和CrAlSiON功能層的厚度分別為2.2μm、1.1μm和0.9μm。

對(duì)涂有CrAlSiON基納米復(fù)合涂層的刀具進(jìn)行切削性能測(cè)試。切削試驗(yàn)在ETC3650h的CNC機(jī)床上進(jìn)行，機(jī)床主軸功率15kW，最高轉(zhuǎn)速3500r/min。工件材料選用高強(qiáng)度鋼SKD11(HRC＝62)。裝夾刀桿型號(hào)為MTJNL-2525M16，安裝角度：前角r₀＝–6°，后角a₀＝6°，主偏角K_r＝90°。切削實(shí)驗(yàn)選用刀具后刀面磨損量VB＝0.3mm作為刀具失效標(biāo)準(zhǔn)，選用切削用量為：VC＝250m/min(切削速度)，f＝0.1mm/r(進(jìn)給量)，a_p＝0.5mm(背吃刀量)，切削實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

圖2為實(shí)施例2中CrAlSiON基多層納米復(fù)合涂層的刀具切削壽命和氧流量的關(guān)系圖。從圖2中可觀察到氧流量為24sccm下，制備的CrAlSiON基多層納米復(fù)合涂層的刀具切削壽命最高達(dá)到9.35min。

圖3為實(shí)施例2中制備的CrAlSiON基納米復(fù)合涂層與其他市售的涂層(AlCrN、AlTiN、AlTiSiN)刀具均在上述測(cè)試條件下的切削壽命對(duì)比圖。從圖3中可發(fā)現(xiàn)制備的CrAlSiON納米復(fù)合涂層的刀具切削壽命是市售的涂有AlCrN、AlTiN、AlTiSiN層刀具的3-5倍。

經(jīng)過殘余應(yīng)力、劃痕儀測(cè)試、高溫摩擦測(cè)試，所制備涂層的殘余應(yīng)力為1.3GPa，涂層附著性能優(yōu)異，膜/基臨界載荷達(dá)80N，同時(shí)800℃下涂層的摩擦系數(shù)為0.45，磨損率為4.5×10^-16m³/N·m。

實(shí)施例3

高溫耐磨CrAlSiON基納米復(fù)合涂層，包括AlTiN過渡層、CrAlSiN支撐層和CrAlSiON功能層。AlTiN過渡層中各元素的原子百分比含量為：Al:28at.％，Ti:15at.％，N:57at.％。CrAlSiN支撐層中各元素的原子百分比含量為：Al:23at.％，Cr:15at.％，Si:6at.％，N:56at.％。CrAlSiON功能層中各元素的原子百分比含量為：Al:30at.％，Cr:20at.％，Si:5at.％，O:30at.％，N:25at.％。將硬質(zhì)合金拋光處理，經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗15min，再用氮?dú)獯蹈珊笱b入真空室內(nèi)。打開加熱器升溫至400℃，真空室抽真空至真空度5.0×10^-3Pa以下。通入300sccm的Ar氣，設(shè)置工件支架偏壓-900V，對(duì)硬質(zhì)合金表面進(jìn)行濺射清洗，轟擊時(shí)間15min。將偏壓調(diào)至-200V，通入300sccm的N₂氣，調(diào)節(jié)氣壓至3.0Pa，沉積AlTiN過渡層50min。通入N₂，控制氣壓在1.0Pa，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流60A，偏壓-150V，沉積時(shí)間20min。通入O₂，控制氣壓在1.5Pa，O₂/O₂+N₂比例為8％，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流100A，偏壓-150V，沉積時(shí)間20min。完成鍍膜后，待真空室溫度降至室溫，打開真空室取出基體。AlTiN過渡層、CrAlSiN支撐層和CrAlSiON功能層的厚度分別為2.2μm、1.1μm和1.2μm。

實(shí)施例4

高溫耐磨CrAlSiON基納米復(fù)合涂層，由AlTiN過渡層、CrAlSiN支撐層和CrAlSiON功能層組成。AlTiN過渡層中各元素的原子百分比含量為：Al:26at.％，Ti:17at.％，N:57at.％。CrAlSiN支撐層中各元素的原子百分比含量為：Al:22at.％，Cr:15at.％，Si:6at.％，N:57at.％。CrAlSiON功能層中各元素的原子百分比含量為：Al:35at.％，Cr:20at.％，Si:2at.％，O:43at.％，N:10at.％。將硬質(zhì)合金拋光處理，經(jīng)丙酮、酒精超聲清洗20min，再用氮?dú)獯蹈珊笱b入真空室內(nèi)。打開加熱器升溫至450℃，真空室抽真空至真空度8.0×10^-3Pa以下。通入200sccm的Ar氣，設(shè)置工件支架偏壓-900～-1000V，對(duì)硬質(zhì)合金表面進(jìn)行濺射清洗，轟擊時(shí)間20min。之后將偏壓降至-800V，點(diǎn)燃AlTi靶，靶材電流60A，用高能Al、Ti離子轟擊基體15min。將偏壓調(diào)至-200V，通入300sccm的N₂氣，調(diào)節(jié)氣壓至3.0Pa，沉積AlTiN過渡層50min。通入N₂，控制氣壓在1.0Pa，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流60A，偏壓-150V，沉積時(shí)間20min。通入O₂，控制氣壓在3.0Pa，O₂/O₂+N₂比例為16％，點(diǎn)燃CrAlSi靶，靶材電流150A，偏壓-150V，沉積時(shí)間20min。完成鍍膜后，待真空室溫度降至室溫，打開真空室取出基體。AlTiN過渡層、CrAlSiN支撐層和CrAlSiON功能層的厚度分別為1.9μm、1.2μm和1.2μm。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合和簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。