一种高硬度低摩擦系数的纳米涂层及其制备方法技术

本发明专利技术一种高硬度低摩擦系数的纳米涂层，由至少一层HfC层和至少一层SiC层组成，HfC层和SiC层交替沉积在基体上。还提供了上述纳米涂层的制备方法，首先将基体表面作镜面抛光处理，然后经过丙酮、酒精的超声清洗，真空离子清洗后，采用直流或射频反应溅射方法交替沉积HfC层和SiC层，HfC层由纯Hf靶材在氩气和乙炔气氛下制得，而SiC采用直接溅射SiC化合物靶材制备。本发明专利技术的HfC/SiC纳米多层涂层不但具有高硬度和耐磨性，其最高硬度可达36.2GPa，而且由于较高的C含量使涂层具有相对较低的摩擦系数，与轴承钢之间的摩擦系数约为0.3。该涂层可在高硬度、高耐磨、低摩擦等场合下服役。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于材料表面工程
，涉及一种涂层，具体来说是一种高硬度低摩擦系数的纳米涂层及其制备方法。
技术介绍
随着先进制造业的发展，对材料的切削往高速和干式两个方向发展，因此对刀具材料的表面性能提出了越来越高的要求，要求刀具材料表面具有较高的硬度、耐磨、耐腐蚀和较低的摩擦系数。涂层技术是提高刀具性能和寿命的重要途径。随着高速切削、干式切削等先进切削技术的不断发展，对刀具涂层的性能也提出了更高的要求，不仅要具备高硬度、高弹性模量、耐磨性和韧性等机械性能，还要具备抗高温氧化性能、耐蚀性以及较低的摩擦系数。传统的刀具涂层，如TiN、CrN甚至TiAlN涂层已逐渐不能满足苛刻的性能要求。纳米多层涂层是由两种材料以纳米量级交替沉积形成的多层薄膜，因其在物理性能与力学性能的异常表现而得到了广泛的关注。尤其在力学性能方面，一些调制周期小于100nm的纳米多层膜，呈现出弹性模量与硬度异常升高的超模效应与超硬效应。1987年，Barnett等发现TiN/NbN和TiN/VN纳米多层膜的硬度大幅提高到50GPa的超硬效应，显示出良好的应用前景。目前，作为超硬的保护性涂层，人们对纳米多层涂层的研究在国内外已经广泛进行，纳米多层涂层在实际的工程应用上也取得了不少的进展。通过查文献得知，纳米多层涂层目前已经通过多种方法成功制得，在诸多体系中也获得了超硬效应，对该类涂层的研究也取得了不少有益的成果。通过查询，检索到如下有关纳米多层涂层的中国专利：申请号为CN200610029133的专利涉及了一种ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层，属于陶瓷涂层领域。本专利技术由ZrO2层和TiN层交替沉积在硬质合金、陶瓷或金属基底上形成，ZrO2/TiN层的厚度为2～8nm，TiN层厚为0.4～1.2nm，涂层总厚度为2～5μm。本专利技术的ZrO2/TiN纳米多层涂层采用在氩气氛中的双靶溅射技术在抛光的金属或陶瓷基体表面交替沉积ZrO2层和TiN层得到。本专利技术所得的ZrO2/TiN纳米多层涂层不但具有优异的高温抗氧化性，而且具有19.1GPa至23GPa的硬度。申请号为200910055596.4的专利涉及一种VC/Si3N4纳米多层涂层及其制备方法，属于陶瓷涂层领域。VC/Si3N4高硬度纳米多层涂层由VC层和Si3N4层交替沉积在金属、硬质合金或陶瓷基底上形成，VC层的厚度为2～8nm，Si3N4层厚为0.2～0.9nm。本专利技术涂层制备如下：首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷的基体上采用双靶射频反应溅射方法交替沉积VC层和Si3N4层，制取VC/Si3N4纳米多层涂层，其中VC采用VC靶直接溅射得到，而Si3N4采用直接溅射Si3N4化合物靶材提供。本专利技术所得的VC/Si3N4纳米多层涂层不但具有优良的高温抗氧化性，而且具有高于40GPa的硬度。本专利技术作为高速切削刀具尤其是高速切削的铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。申请号为CN201110082001的专利涉及了一种Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具及其制备工艺，刀具基体材料为硬质合金或高速钢，刀具基体表面为ZrN高硬度涂层，刀具基体与ZrN高硬度涂层之间有Ti过渡层，在Ti过渡层与表面ZrN高硬度涂层之间为Zr和ZrN交替的多层结构。具体工艺包括前处理、离子清洗、沉积Ti过渡层、反复沉积Zr层和ZrN层、沉积表面ZrN层的步骤。Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具含有高硬度ZrN涂层和韧性金属Zr，可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与基体间的结合强度，从而提高涂层的耐磨性。然而，该工艺制备的纳米多层涂层的抗高温氧化性能仍需进一步提高。申请号为CN201010237724的专利涉及了一种切削工具
的硼化钛/氮化硅纳米多层涂层及其制备方法，纳米多层涂层由TiB2和Si3N4两种材料交替沉积形成纳米量级的多层结构，在多层结构中的每一个双层结构，TiB2层的厚度为2～8nm，Si3N4层厚为0.2～0.8nm。制备方法如下：首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷的基体上采用在Ar气氛中双靶射频溅射方法交替沉积TiB2层和Si3N4层，制取TiB2/Si3N4纳米多层涂层，其中TiB2采用TiB2靶直接溅射得到，而Si3N4采用直接溅射Si3N4化合物靶材提供。本专利技术所得的TiB2/Si3N4纳米多层涂层不但具有优良的高温抗氧化性，而且具有高于37GPa的硬度。申请号为CN200510111216.6一种陶瓷材料
的高硬度ZrN/Al2(O1-xNx)3纳米多层涂层。由Al2(O1-xNx)3层和ZrN层交替沉积在金属、硬质合金或陶瓷的基体上组成，具有优良的高温抗氧化性，而且具有高于30GPa的硬度和超过1000℃的抗氧化温度。作为高速切削刀具及其它在高温条件下服役耐磨工件的涂层。然而，上述现有的涂层仍存在着硬度、摩擦系数不能满足高速切削和干式切削的性能要求的缺点，以及涂层性能、沉积条件以及沉积效率无法兼顾的问题。
技术实现思路
针对现有技术中的上述技术问题，本专利技术提供了一种高硬度低摩擦系数的纳米涂层及其制备方法，所述的这种高硬度低摩擦系数的纳米涂层及其制备方法解决了现有技术中的涂层仍存在着硬度、摩擦系数不能满足高速切削和干式切削的性能要求的技术问题，同时涂层性能、沉积条件以及沉积效率无法兼顾的技术问题。本专利技术提供了一种高硬度低摩擦系数的纳米涂层，由至少一层HfC层和至少一层SiC层组成，所述的HfC层和SiC层交替沉积在基体上，所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。进一步的，所述的HfC层的厚度在4-8nm之间，所述的SiC层的厚度在0.3-1.2nm之间，所述的纳米涂层的总厚度在2～4μm之间。本专利技术还提供了上述的一种高硬度低摩擦系数的纳米涂层的制备方法包括如下制备步骤：1)一个对基体进行清洗的步骤，将经打磨镜面抛光处理后的基体在有机溶剂中，利用15～30kHz超声波清洗5～10min；然后进行离子清洗，在进行离子清洗的过程中，将基体装好后装进进样室，抽真空到5*10-3Pa后开Ar气，维持真空度在2-4Pa，用13.56Hz的射频对基体进行离子轰击，功率为80-100W；2)一个交替溅射HfC层和SiC层的步骤；采用直流或射频反应溅射的方式，通过交替停留在纯Hf靶和SiC靶前，获得由至少一层HfC层和至少一层SiC层交替叠加的纳米涂层，溅射纯Hf靶的过程中的氩气流量为30-50sccm、乙炔流量为2-5sccm；沉积HfC层的功率为150W，时间本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高硬度低摩擦系数的纳米涂层，其特征在于：由至少一层HfC层和至少一层SiC层组成，所述的HfC层和SiC层交替沉积在基体上，所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。

【技术特征摘要】
1.一种高硬度低摩擦系数的纳米涂层，其特征在于：由至少一层HfC层和至少一层SiC
层组成，所述的HfC层和SiC层交替沉积在基体上，所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种高硬度低摩擦系数的纳米涂层，其特征在于：所述的HfC
层的厚度在4-8nm之间，所述的SiC层的厚度在0.3-1.2nm之间，所述的纳米涂层的总厚度在
2～4μm之间。
3.权利要求1所述的一种高硬度低摩擦系数的纳米涂层的制备方法，其特征在于包括
如下制备步骤：
1）一个对基体进行清洗的步骤，将经打磨镜面抛光处理后的基体在有机溶剂中，利用
15～30kHz超声波清洗5～10min；然后进行离子清洗，在进行离子清洗的过程中，将基体装
好后装进进样室，抽真空到5*10-3Pa后开Ar气，维持真空度在2-4Pa，用13.56Hz的射频对基
体进行离子轰击，功率为80-100W；
2）一个交替溅...

【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，刘平，张柯，马凤仓，刘新宽，陈小红，何代华，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31