[发明专利]一种纳米复合结构的V-C-Co韧性涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种韧性硬质涂层及其制备工艺，尤其涉及一种纳米复合机构的V-C-Co涂层及其制备方法，属于陶瓷涂层领域。

背景技术

硬质防护涂层主要是由金属键构成过渡金属氮化物、碳化物、硼化物及由离子键构成的金属氧化物等形成的，这些涂层的硬度很高，但他们的韧性却很低，提高这些涂层的韧性和提高它们的硬度一样重要，特别是在摩擦磨损领域的应用中。

M.Misina利用非平衡磁控溅射设备制备了Ti-N-Ni涂层(“Surface and Coating Technology”，第110卷，168～172页，1998年)，金属Ni以独立形式偏聚在TiN的晶界上形成FCC结构的金属Ni相，这样涂层就成为由金属Ni相和TiN相组成的纳米复合涂层，但是，此种涂层的韧性虽然得到了显著提高，但涂层最大硬度只有10.5GPa。

过渡金属Ti、V、W、Ta、Zr、Mo、Cr等都可与碳原子反应，生成金属碳化物涂层，金属碳化物涂层具有化学稳定性好、熔点高、硬度大的特点，但是，碳化物涂层韧性不好，较脆。许多研究通过复合一种与C结合力较差的金属，可以改变它的结构，从而改变涂层的性能。现在，研究较多的是仿效块体的碳化物陶瓷通过添加第八族元素(Fe，Co，Ni等)来提高韧性，但结果不太理想。如jansson等(“Surface & Coatings Technology”，第206卷，第583～590，2011年)公布了一种Ti-C-Me涂层，其中Me为Al，Fe，Ni，Cu，Pt中的一种或几种，但是，此涂层的硬质只有7～18GPa。

WC涂层熔点高、硬度大、摩擦系数低，已成为硬质合金涂层的主要成分，Co、Ni等材料强度适当，有一定的塑性，与WC组合，使硬质涂层既有高的硬度，同时韧性也提高，专利CN102418065A公布了一种复合金属碳化物耐磨涂层，此涂层由粘结剂包覆碳化物和碳化物通过超音速火焰喷涂而成，涂层的维氏硬度为1200～1800kg/mm²，但是此种涂层的硬度低，气孔率高。

通过对文献作进一步的检索和分析，还没有发现纳米复合结构的V-C-Co涂层，也没有发现其塑性指数超过0.45、硬度超过15GPa的V-C-Co涂层。

发明内容

本发明提供了一种纳米复合结构的V-C-Co(钒-碳-钴)韧性涂层及其制备方法，此涂层同时具有高硬度和高韧性的特点，可以满足防护涂层及耐磨涂层的要求。

一种纳米复合结构的V-C-Co韧性涂层，以重量百分比计，组成元素为：

V     33.9～70.0％

C     15.1～23％

Co    7.0～45.0％。

本发明中，所述的V-C-Co韧性涂层同普通的碳化钒涂层相比，添加了一定量的Co，所添加的Co可以提高涂层的韧性，塑性指数不低于0.45，同时，涂层的硬度也超过15GPa，因此，本发明中的V-C-Co韧性涂层可以满足防护涂层及耐磨涂层的要求。

为了进一步提高所述的V-C-Co韧性涂层的韧性，同时又保证涂层的硬度，以重量百分比计，组成元素优选为：

V     45.9～65.7％

C     18.1～22.2％

Co    12.1～36.0％。

作为优选，所述的V-C-Co韧性涂层包括VC相和Co相；所述的VC相具有晶体结构，由VC晶粒组成，所述的VC相分散于Co相中，所述的Co相为非晶体结构，本发明中Co聚集在VC晶粒的晶界上，形成较强的Co-VC化学键，抑制了VC晶粒的长大，同时非晶相的Co具有很好的塑性变形能力，在保证涂层具有较高的硬度的同时提高了涂层的韧性。

作为优选，所述的VC晶粒的粒径为5～15nm，相邻两VC晶粒的距离为1～5nm，VC晶粒的粒径与距离影响着所述的V-C-Co韧性涂层的硬度和韧性，所述距离的增加会使得所述的V-C-Co韧性涂层的韧性增大。

所述的纳米复合结构的V-C-Co韧性涂层可以用本领域已知的方法形成，包括物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)，考虑到涂层的附着力等原因，优选考虑PVD，PVD不用将基体材料加热到CVD所需要的温度，因此，在沉积的过程中，减少了基体材料恶化的风险。