一種高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于材料表面涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，高速、高精度自動加工設(shè)備和難加工材料的大量使用，對高性能金屬切削刀具提出了更高的要求。硬質(zhì)鍍層具有較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，減少了切削摩擦熱向基底傳遞，而鍍層自身高的硬度和良好的耐磨性，保證了刀具刃部良好的鋒利性和切削性能。但在高速切削時，液體潤滑劑性能往往面臨因高溫而衰減的問題，切削液在生產(chǎn)、使用、排放及后處理過程中需要消耗大量資源和能源，對環(huán)境也有一定的污染，隨著工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格，切削液的使用受到進(jìn)一步限制。由于硬質(zhì)鍍層的摩擦因數(shù)普遍較高，不僅使磨損加劇，而且大量切削熱導(dǎo)致鍍層產(chǎn)生氧化、熱疲勞等現(xiàn)象。因此，在確保耐磨性和高溫抗氧化性的前提下，盡可能降低鍍層的摩擦系數(shù)對于提高刀具的耐磨性和切削性能效果更好。
[0003]過渡族金屬鉬的氮化物硬度可達(dá)23GPa，與CrN、TiN等相近，而摩擦系數(shù)較低。高溫下的摩擦系數(shù)可以更低，但耐磨性急劇下降，限制了其在嚴(yán)酷切削條件下的應(yīng)用。目前研究Mo-B-C-N四兀涂層的文獻(xiàn)尚未見報道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層及其制備方法，通過共濺射的方法制備出Mo-B-C-N四元涂層，該涂層兼?zhèn)淠湍ズ透邷氐湍Σ料禂?shù)的特點(diǎn)。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0006]—種高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0007]1)將由金屬M(fèi)o與B4C構(gòu)成的復(fù)合靶和基底分別置于磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的陰極和樣品臺上；
[0008]2)對磁控濺射設(shè)備真空室抽真空，然后用氬離子束濺射清洗基底表面；
[0009]3)向磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)通入氬氣和氮?dú)?，磁控濺射復(fù)合靶，并在沉積過程中用氮離子束對沉積中的涂層進(jìn)行輔助轟擊，得到高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層。
[0010]所述的復(fù)合靶中的金屬M(fèi)o與B4C的面積比為20:1?2:1，Mo的純度為99.99%、B4C的純度為99.9%，復(fù)合靶與基底間的距離為80?120mm。
[0011]所述的基底為金屬基底或陶瓷基底，其中金屬基底為鋼、鑄鐵或硬質(zhì)合金。
[0012]所述步驟2)中將磁控濺射設(shè)備真空室內(nèi)的真空度抽到<5X10—4Pa后，用能量為800?1000eV、束流密度為10?20yA/cm2的氬離子束濺射清洗基底表面至少lOmin。
[0013]所述步驟3)中通入的氬氣和氮?dú)獾牧髁勘葹?:1?1:10，工作氣壓為0.1?2Pa。
[0014]所述步驟3)中磁控濺射的功率為100?300W，時間為120?240min。
[0015]所述步驟3)中在沉積過程中用能量為500eV?2000eV、束流密度為5?ΙΟμΑ/cm2的氮離子束對沉積中的涂層進(jìn)行輔助轟擊。
[0016]所述步驟3)中在磁控濺射結(jié)束后，停止通入氬氣和氮?dú)?，保持真空狀態(tài)，至基底溫度 <60。。。
[0017]所述的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層的制備方法制得的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層，該高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層為Mo-B-C-N四元涂層，其中C元素的原子百分比為2?12%，B元素的原子百分比為0.5?8%，Mo元素的原子百分比為55?42%，N元素的原子百分比為44?38%。
[0018]該高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層的硬度為27?31GPa，常溫下的摩擦系數(shù)2 0.23，600°C時的摩擦系數(shù)2 0.15。
[0019 ]相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為:
[0020]本發(fā)明提供的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層的制備方法，在氮化鉬的基礎(chǔ)上，選用了合適的Mo/B4C復(fù)合靶以及相應(yīng)的濺射工藝參數(shù)，采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)陰極濺射金屬M(fèi)o和B4C復(fù)合靶，并與真空室中Ar和N2混合氣體中的N2氣反應(yīng)，在基底表面形成了獲得了 C、B元素含量適當(dāng)?shù)腗o-B-C-N四元硬質(zhì)涂層，即高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層，通過調(diào)節(jié)復(fù)合靶中B4C的面積，使得該涂層中B和C的含量容易控制，并且該方法工藝簡單，易于實(shí)施。
[0021]本發(fā)明提供的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層(Mo-B-C-N四元硬質(zhì)涂層)，其中C、B、Mo、N元素的原子百分比分別為2?12%、0.5?8%、55?42%、44?38%。該涂層克服了現(xiàn)有硬質(zhì)鍍層性能的不足，兼?zhèn)溆捕雀?、耐磨和高溫低摩擦系?shù)的特點(diǎn)，使其在高速切削工具上具有良好的推廣應(yīng)用前景。
[0022]進(jìn)一步的，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明制得的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層(Mo-B-C-N四元硬質(zhì)涂層)的硬度由氮化鉬涂層的23GPa提高到30GPa以上，室溫下摩擦系數(shù)降低至0.23，600°C摩擦系數(shù)可降低至0.15，磨損率不到氮化鉬的1/20。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明使用的由金屬M(fèi)o與B4C構(gòu)成的復(fù)合靶的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明制得的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層的XRD圖；
[0025]圖3為本發(fā)明制得的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層的硬度與C、B含量的關(guān)系圖；
[0026]圖4為常溫下本發(fā)明制得的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層的平均摩擦系數(shù)與C、B含量的關(guān)系圖。
[0027]圖5為常溫下本發(fā)明制得的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層的磨損率與C、B含量的關(guān)系圖。
[0028]圖6為600°C下本發(fā)明制得的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層的平均摩擦系數(shù)與C、B含量的關(guān)系圖。
[0029]圖7為600°C下本發(fā)明制得的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層的磨損率與C、B含量的關(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]本發(fā)明制備高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層(Mo-B-C-N四元涂層)，采用鉬靶(純度99.99%)和B4C靶(純度99.9%)制成復(fù)合靶，通過直流磁控濺射，沉積在金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷的基底上，并用氮離子束輔助轟擊得到。制得的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層(Mo-B-C-N四元涂層)的厚度為1?5μπι，硬度為27?31GPa，常溫下的摩擦系數(shù)最低為0.23，高溫下(600°C)的摩擦系數(shù)最低為0.15。其中C元素的原子百分比為2?12%，B元素的原子百分比為0.5?8%，Mo元素的原子百分比為55?42%，N元素的原子百分比為44?38%。
[0031]結(jié)合不同溫度下摩擦系數(shù)和耐磨性，得出更優(yōu)范圍為C元素的原子百分比3?10%，B兀素的原子百分比1.5?6%。
[0032]本發(fā)明提供的高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層的制備方法的具體步驟為:
[0033]1)以金屬(鋼、鑄鐵或硬質(zhì)合金)或陶瓷為基底，去油、去氧化物、熱風(fēng)吹干后固定在真空室中的可旋轉(zhuǎn)工件架上；
[0034]2)將高純Mo和一定數(shù)量的B4C片組成的復(fù)合靶安裝在磁控濺射源上；其中復(fù)合靶中的金屬M(fèi)o與B4C的面積比為20:1?2:1，Mo的純度為99.99%、B4C的純度為99.9%，復(fù)合靶與基底間的距離為80?120mm;
[0035]3)隨后將真空室內(nèi)真空度抽到<5X10—4Pa，通入流量為20sCCm的Ar，當(dāng)真空室氣壓為0.3Pa時，預(yù)濺射M0/B4C復(fù)合靶5min，預(yù)濺射的功率為150W ；
[0036]4)隨后離子源通入6sCCm氬氣，用氬離子束濺射清洗基底表面至少lOmin，離子束離子能量800?1000eV，束流密度10?20yA/cm2;
[0037]5)隨后通入4?lOsccm氬氣和4?40sccm氮?dú)?，形成混合氣氛，氬氣與氮?dú)忾g的流量比為1:1?1:10，工作氣壓為0.1?2Pa。
[0038]6)真空室內(nèi)在氬氮混合氣氛中，以100?300W的功率濺射M0/B4C復(fù)合靶120?240min，并以能量500eV?2000eV、束流密度5?ΙΟμΑ/cm2氮離子束對沉積中的涂層進(jìn)行輔助轟擊，制得高溫低摩擦系數(shù)硬質(zhì)涂層(Mo-B-C-N四元硬質(zhì)涂層)。
[0039]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳述本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于下述實(shí)施例。
[0040]實(shí)施例1