本发明专利技术公开了一种Al-Cu-N耐磨硬质涂层，由AlN晶体相和Cu晶体相组成，其中，Cu晶体相分散在AlN晶体中，Cu晶体相和AlN晶体相之间的界面以Cu-Al键键合；所述的Al-Cu-N耐磨硬质涂层由原子百分含量74.6%～89%Al和N以及11%～25.4%的Cu元素构成。本发明专利技术Al-Cu-N耐磨硬质涂层具有良好的硬度和优异的耐磨损性能，磨损率低于4.0×10-16m3/Nm，达到了高耐磨性的要求，可广泛用于模具、机械零件等领域。本发明专利技术还公开了一种Al-Cu-N耐磨硬质涂层的制备方法，采用反应磁控溅射方法，可操作性强，可控性好，易于工业化生产，具有广阔的应用前景和良好的经济效益。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及耐磨涂层及其制备领域，具体涉及一种Al-Cu-N耐磨硬质涂层及其制备方法。
技术介绍
摩擦是我们经常遇到的现象，世界上有三分之一到二分之一的能源被摩擦消耗掉，而且损坏机器和工程结构，降低工作效率。在机器及器件的表面涂覆耐磨涂层已成为降低摩擦损耗的一种有效途径。至今，寻找和研制耐磨涂层一直是材料技术专家的一项重要任务。研究人员发现通过向金属氮化物（例如：CrN、TiN、AlN等）中掺杂适当量的金属元素（例如：Ni、Ag、Cu等），制备得到硬质相/软质相纳米复合涂层，涂层的硬度、耐磨性和韧性等力学性能得到不同程度的改善。常见的过渡金属氮化物、碳化物、硼化物等涂层具有高的硬度，但韧性相对较低。金属具有较好的塑性和韧性，但硬度较低。块体AlN的硬度只有12GPa左右，传统上不用作耐磨涂层。但是，在AlN加入适量的金属相，可以提高AlN涂层的综合性能，已有的研究主要集中于提高涂层的硬度上。如J.Musil等人在573K，直流偏压为-100V的条件下制备了Al-Cu-N涂层，当PN2小于0.09Pa时，涂层由Al2Cu和AlN相构成，而当P增加到0.12Pa或更高时，形成的是非晶态的涂层，涂层硬度降低。通过对文献作进一步的检索和分析，还没有发现磨损率低于4.0×10-16m3/Nm纳米复合结构的Al-Cu-N耐磨硬质涂层。申请公布号为CN102534493A的中国专利技术专利申请公开了一种纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层及其制备方法，其中，纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层包括晶体结构的AlN连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由晶体结构的AlN连续相包裹，VN晶体颗粒与晶体结构的AlN连续相形成共格界面，其成分表示为（V1-xAlx）N，其中，1-x为0.41～0.6，x为0.4～0.59，。该纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层制备：采用磁控溅射技术，通过直流阴极溅射金属V，中频阴极上溅射Al，并与真空室中N2气反应生成纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层。但是该纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层的硬度和摩擦性能需要进一步提高。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种Al-Cu-N耐磨硬质涂层，耐磨性好。一种Al-Cu-N耐磨硬质涂层，由AlN晶体相和Cu晶体相组成，其中，Cu晶体相分散在AlN晶体中，Cu晶体相和AlN晶体相之间的界面以Cu-Al键键合；所述的Al-Cu-N耐磨硬质涂层中各元素的原子百分含量如下：Al和N 74.6%～89%；Cu 11%～25.4%；其中，Al和N的原子比为0.9～1：1。当Cu的原子百分含量低于11%时，涂层中，Cu以非晶态存在，在使用过程中，由于温度的升高非晶态的Cu会发生结晶化过程，因此，影响涂层的稳定，Al-Cu-N耐磨硬质涂层的耐磨性能不佳，当Cu的原子百分含量高于25.4%时，涂层的硬度大幅度降低，影响涂层的耐磨损性能，当Cu的原子百分含量为11.0%～25.4%时，Al和N的原子比为0.9～1：1，本专利技术Al-Cu-N耐磨硬质涂层具有高耐磨性。作为优选，所述的Al-Cu-N耐磨硬质涂层中各元素的原子百分含量如下：Al和N 80%～89%；Cu 11%～20%。Cu的原子百分含量控制在11%～20%，在该原子百分含量下形成的Al-Cu-N耐磨硬质涂层，其缺陷性减少，降低了Al-Cu-N耐磨硬质涂层的内应力，提高了Al-Cu-N耐磨硬质涂层的硬度。进一步优选，所述的Al-Cu-N耐磨硬质涂层中各元素的原子百分含量如下：Al和N 82.1%～85.3%；Cu 14.7%～17.9%；其中，Al和N的原子比为1：1。根据实施例2、3、6、7、12制备的Al-Cu-N耐磨硬质涂层可知，该条件下的Al-Cu-N耐磨硬质涂层具有非常优异的耐磨损性能，并具有良好的硬度。更一步优选，所述的Al-Cu-N耐磨硬质涂层中各元素的原子百分含量如下：Al 41.15%；N 41.15%；Cu 17.7%。根据实施例7制备的Al-Cu-N耐磨硬质涂层可知，该条件下的Al-Cu-N耐磨硬质涂层的磨损率为1.2×10-16m3/Nm，具有最为优异的耐磨损性能，并且还能够保持良好的硬度，其硬度接近于30GPa，该硬度已足以满足使用需求，从而能够大大延长模具、机械零件等的使用寿命。在本专利技术Al-Cu-N耐磨硬质涂层中，Cu和N不易发生反应生成氮化物，AlN和Cu在两相界面处发生一定的相互作用后形成以Cu-Al键键合的硬质相/软质相纳米复合结构，提高了本专利技术Al-Cu-N耐磨硬质涂层的硬度及耐磨性。作为优选，所述的AlN晶体相的衍射面为0002面，也称（0002）面，所述的Cu晶体相的衍射面为111面，也称（111）面，上述晶态的Cu晶体相和AlN晶体相之间的界面以Cu-Al键键合，形成更稳定的硬质相/软质相纳米复合结构，能够更好地提高本专利技术Al-Cu-N耐磨硬质涂层的硬度及耐磨性。作为优选，所述的Cu晶体相的粒径为1～10nm，该粒径的Cu晶体相能够更好地分散在AlN晶体相中，Cu晶体相与AlN晶体相能够形成稳定的界面，从而可进一步提高本专利技术Al-Cu-N耐磨硬质涂层的硬度及耐磨性。本专利技术Al-Cu-N耐磨硬质涂层，具有无柱状晶致密的生长结构，其表面粗糙度低于6.1nm，大大提高了本专利技术Al-Cu-N耐磨硬质涂层的耐磨损性能。本专利技术还提供了一种Al-Cu-N耐磨硬质涂层的制备方法，采用反应磁控溅射方法，可操作性强，可控性好，易于工业化生产。一种Al-Cu-N耐磨硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：将Al靶安装在中频阴极上，Cu靶安装在直流阴极上，基体安装在阳极上，基体的温度为200℃～400℃，通入氮气，采用双靶反应磁控溅射的方法，通过调节氮气的分压、Al靶的功率密度和Cu靶的功率密度，对基体进行溅射沉积，得到Al-Cu-N耐磨硬质涂层。本专利技术中，双靶反应磁控溅射中采用Al靶和Cu靶同时溅射，保证了制备的膜层中成分的均匀性，避免了机械组合靶中成分不易控制的问题。此外，Cu不易与N发生反应，因而最终形成的涂层是AlN相和Cu相构成的纳米复合涂层。作为优选，所述的氮气的分压为0.2P本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种Al‑Cu‑N耐磨硬质涂层，其特征在于，由AlN晶体相和Cu晶体相组成，其中，Cu晶体相分散在AlN晶体中，Cu晶体相和AlN晶体相之间的界面以Cu‑Al键键合；所述的Al‑Cu‑N耐磨硬质涂层中各元素的原子百分含量如下：Al和N 74.6%～89%；Cu 11%～25.4%；其中，Al和N的原子比为0.9～1：1。
【技术特征摘要】
1.一种Al-Cu-N耐磨硬质涂层，其特征在于，由AlN晶体相和Cu晶
体相组成，其中，Cu晶体相分散在AlN晶体中，Cu晶体相和AlN晶体相之
间的界面以Cu-Al键键合；
所述的Al-Cu-N耐磨硬质涂层中各元素的原子百分含量如下：
Al和N 74.6%～89%；
Cu 11%～25.4%；
其中，Al和N的原子比为0.9～1：1。
2.根据权利要求1所述的Al-Cu-N耐磨硬质涂层，其特征在于，所述
的Al-Cu-N耐磨硬质涂层中各元素的原子百分含量如下：
Al和N 80%～89%；
Cu 11%～20%。
3.根据权利要求2所述的Al-Cu-N耐磨硬质涂层，其特征在于，所述
的Al-Cu-N耐磨硬质涂层中各元素的原子百分含量如下：
Al和N 82.1%～85.3%；
Cu 14.7%～17.9%；
其中，Al和N的原子比为1：1。
4.根据权利要求3所述的Al-Cu-N耐磨硬质涂层，其特征在于，所述
的Al-Cu-N耐磨硬质涂层中各元素的原子百分含量如下：
Al 41.15%；
N 41.15...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄峰，郭军，李艳玲，孟凡平，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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