[发明专利]一种高硬度CrBCN纳米复合结构保护性涂层及其制备方法

说明书

本发明提供了一种高硬度CrBCN纳米复合结构保护性涂层，沉积覆盖于基体上，所述的保护性涂层与基体之间设置有过渡层，所述过渡层分为上下两层，与基体相接触的下层为金属结合层Cr，与保护性涂层相接触的上层为CrN，过渡层的厚度为200～400nm，所述保护性涂层为非晶BCN界面相包裹CrN纳米等轴晶粒的纳米复合结构，其厚度为2～5μm。本发明提供的CrBCN纳米复合保护性涂层具有高硬度、高耐磨性的优点，可作为高速切削刀具、模具等零件的涂层和其他领域装备的保护涂层，并且其制备方法具有生产效率高、能耗低、工艺简单、无污染、对设备要求较低等优点。

技术领域

本发明涉及一种新型硬质保护涂层，特别涉及一种高硬度CrBCN纳米复合结构保护性涂层及其制备方法，应用于刀具、模具等承受耐磨、冲击等载荷零件作为保护性涂层，属于材料表面改性技术领域。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，对材料的表面性能提出了越来越高的要求，要求材料在保持一定韧性的同时，还要求材料表面具有较高的硬度、耐磨、耐腐蚀和耐高温性能。在材料表面涂覆一定厚度的涂层是提高材料表面性能的一种有效途径，其发展适应了现代社会对材料服役性能的高技术要求，已被广泛应用于机械制造、汽车工业、地质钻探、模具工业等领域。纳米硬质涂层是一种有效的表面改性技术。超硬涂层是硬度大于40GPa的涂层材料，硬质合金超硬涂层刀具集成了强度、韧性和硬度优势，可大幅提高切削加工效率和质量，满足高速高效数控切削加工的新需求，成为新一代高档刀具的代表。开发超硬涂层涂层，对提高我国数控加工技术应用水平，提升我国基础制造能力具有重要的现实意义。随着材料服役环境的日益恶化，对保护性涂层材料的性能也提出了更高的要求，传统的保护性涂层，如TiN、TiC、TiCN、CrN、TiAlN等等二元和三元涂层已逐渐不能满足要求主要缺点是其硬度、膜/基结合力、耐磨性能及耐热性能不能满足极其恶劣条件下的切削要求。

纳米晶-非晶复合涂层是近年来迅速发展的高性能新型涂层，该材料涂层的纳米晶被非晶相包裹，具有良好的硬度、耐磨性、耐蚀性等性能，能够使涂层刀具具有更高的切削性能和更长的使用寿命。近年来，由于具有高硬度、高模量、高耐磨性以及优异的抗高温性能，在纳米晶-非晶复合超硬涂层中，涂层的高硬度主要由涂层中的结晶相和非晶相的结构有关系，结晶相颗粒的大小直接决定了涂层的硬度。纳米晶复合超硬材料以其优异的性能，如超高硬度、高韧性及低的摩擦系数等，引起了全世界的科研工作者的极大兴趣。已成为先进保护性涂层领域重要的发展方向，能够满足高速切削和干式切削的要求。

目前，通过查询文献可知，纳米复合结构涂层已经通过不同的物理气相沉积方法成功制得，通过查新检索到如下制备纳米复合结构涂层的相关专利：

申请号为201210011554的中国专利涉及一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层，成分表示为(V_1-xAl_x)N，其中，1-x为0.41～0.6，x为0.4～0.59，在保证较低摩擦系数的同时，能够保证具有较高的硬度，特别适合作为刀具涂层。该发明还公开了V-Al-N硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：基体清洗；沉积涂层：在真空室中，将Al靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，通入Ar气和N₂气，通过调节Al靶的功率和V靶的功率，在250℃～500℃和0.3Pa～1.0Pa条件下，对基体溅射沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层。

申请号为201010176236的中国专利涉及一种纳米复合钛铬铝硅氮化物刀具涂层及其制备方法，刀具基体为WC/Co硬质合金，涂层包含有过渡层的纳米复合钛铬铝硅氮化物涂层，其中含有钛、铬、铝、硅和氮元素，晶粒大小在5～15nm，涂层厚度1～4μm，涂层显微硬度30GPa，高温稳定性达到1022℃以上，适用于高速条件下的高硬度钢材料切削加工。

上述现有纳米结构涂层及其制备技术中，未曾见到能达到超过40GPa的超高硬度涂层，而且弹性模量也较低；此外，现有的制备技术在制备过程中能耗较大，效率较低，并且所使用的设备也有成本高、生产过程复杂等一系列缺陷，难以实现大规模的工业化生产。