一種硬度寬變的耐磨涂層及其制備方法及應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種硬度寬變的耐磨涂層及其制備方法，所述的耐磨涂層的組成為CrxSiyN1?x?y，其中x＝0.45～0.55，y＝0.03～0.15，x,y為原子比率；所述的耐磨涂層呈長短不一的柱狀晶生長結(jié)構(gòu)，每個柱狀晶的寬度為40～150nm，柱狀晶的長寬比為15～55，沿涂層生長方向，在所述柱狀晶長度的30～75％處出現(xiàn)了分離存在孔隙，孔隙寬度為2～10nm。所述的耐磨涂層的硬度可在較大范圍內(nèi)變動，而所述的耐磨涂層的耐磨性幾乎不受影響。所述的耐磨涂層可應(yīng)用于摩擦傳動部件。由于所述的耐磨涂層硬度在較大范圍內(nèi)可調(diào)，可使主副摩擦部件保持同樣的硬度，這樣不會由于硬度的差異，使得較低硬度的部件易被磨損，進而改善主副摩擦部件之間的融合性。

Wear resistant coating with wide hardness variation and preparation method and application thereof

The invention discloses a wear-resistant coating and a preparation method thereof, the hardness becomes wide, the composition of wear resistant coating for CrxSiyN1 x y, where x = 0.45 ~ 0.55, y = 0.03 ~ 0.15, x, y atomic ratio; coating the columnar growth structure of varying lengths each, the width of columnar crystal is 40 ~ 150nm, length and width of columnar crystal is 15 ~ 55, coating along the growth direction, the columnar grain length of 30 ~ 75% were found at the isolated pores, pore width is 2 ~ 10nm. The hardness of the wear-resistant coating can be changed in a large range, and the wear resistance of the wear-resistant coating is almost not affected. The wear resistant coating can be applied to friction transmission parts. The hardness of the coating can be adjusted in a large range, the main side friction components keep the same hardness, so as not to because of the hardness difference, the lower hardness of the parts is easy to wear, and then improve the fusion between main friction components.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于氮化物陶瓷涂層領(lǐng)域，具體涉及一種摩擦性能隨硬度改變變化小的耐磨涂層及其制備方法及應(yīng)用。
技術(shù)介紹
摩擦傳動由于易實現(xiàn)無級變速，過載不會損壞裝置等優(yōu)點，是目前常見的一種傳動方式，分為帶傳動，繩傳動，摩擦輪傳動。這些傳動中，一方面要求傳動部件與被傳動部件兩者之間有足夠的摩擦力來傳遞動能；另一方面要求傳動部件與被傳動部件相互摩擦過程中，磨損率要低。高磨損率意味著部件易被磨損，壽命短。若通過降低摩擦來減小部件之間的磨損，必然導(dǎo)致因摩擦力減小所帶來的傳動能量不足，這二者本身存在著矛盾。目前，為了提高摩擦傳動部件的使用壽命。大部分做法都是在易磨損部位安轉(zhuǎn)襯板，利用襯板的磨損來換取主要摩擦部件高的使用壽命。但更換襯板存在工序復(fù)雜(如更換位于高空、復(fù)雜形狀的襯板)。另一種常見的做法是提高主摩擦部件材料的硬度，通過耗損副摩擦部件來提高主摩擦部件的使用壽命，如電梯摩擦輪的硬度常比鋼繩的硬度高，通過定期更換磨損的鋼繩來使電梯安全運行。一般同種材料硬度越高耐磨損能力也越強，故常將硬度值作為衡量材料耐磨性的重要指標之一。材料的耐磨能力是通過測定磨損率來直接衡量的。磨損率高，材料耐磨能力弱，反之耐磨能力強。磨損率：被磨試樣的體積與磨擦功的比值，即單位摩擦功所磨試樣的體積，常用磨損體積除以載荷和滑動距離來表示，單位：m3/N·m。綜上，摩擦傳動
目前還缺少一種簡單有效的防護方法來降低傳動部件之間的磨損。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是提供一種硬度寬變的耐磨涂層。所述的耐磨涂層的硬度可在較大范圍內(nèi)變動(10～36GPa)，而所述的耐磨涂層的耐磨性幾乎不受影響，表現(xiàn)為所述的耐磨涂層的磨損率幾乎不發(fā)生變化(2.0×10-16～5.3×10-16m3/N·m)。本專利技術(shù)的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種硬度寬變的耐磨涂層，所述的耐磨涂層的組成為CrxSiyN1-x-y，其中x＝0.45～0.55，y＝0.03～0.15，x,y為原子比率；所述的耐磨涂層呈長短不一的柱狀晶生長結(jié)構(gòu)，每個柱狀晶的寬度為40～150nm，柱狀晶的長寬比為15～55，沿涂層生長方向，在所述柱狀晶長度的30～75％處出現(xiàn)了分離存在孔隙，孔隙寬度為2～10nm。所述的耐磨涂層形成頂部柱狀晶之間相互分離存在孔隙，底部柱狀晶相連的涂層結(jié)構(gòu)，上部孔隙可使涂層在受力過程中產(chǎn)生一定的塑性變形，并通過控制孔隙的尺寸大小來控制塑性變形的程度，這樣可使所述的耐磨涂層硬度在一定范圍內(nèi)可變。底部柱狀晶相連可使涂層在摩擦過程中產(chǎn)生的裂紋擴展發(fā)生拐彎和橋接的現(xiàn)象，進而消耗裂紋擴展所需的能量，從而使得涂層在硬度可變的情況下仍然保持同樣的耐磨性。所述的耐磨涂層為面心立方體結(jié)構(gòu)，所述的耐磨涂層沿(200)晶面擇優(yōu)生長，晶粒尺寸為6～10nm。所述的耐磨涂層的厚度為4～8μm，所述的耐磨涂層的壓應(yīng)力為0～2GPa。本專利技術(shù)還提供了一種上述硬度寬變的耐磨涂層的制備方法，采用磁控反應(yīng)濺射法制備，具體步驟包括：(1)基體清洗；(2)連接電源：將Si靶與射頻輔助的直流電源相連，Cr靶與中頻電源相連；(3)涂層沉積：將清洗后的基體裝入真空腔室中，當腔室的真空度為5.6×10-6～5×10-5Pa時，充入氬氣和氮氣的混合氣體，并控制總氣壓為0.5～1.0Pa，調(diào)整靶材的濺射功率密度為3.6～8.5W/cm2，之后開啟樣品擋板，對基體的表面進行沉積，得到具有硬度寬變的耐磨涂層。作為優(yōu)選，涂層的基體材料選用硅片、不銹鋼、合金鋼或陶瓷。所述步驟(1)中，基體清洗包括化學清洗和等離子體輝光刻蝕清洗中的至少一種。其中，化學清洗包括：將基體或工件依次放入濃度為30～60％去污粉水溶液，飽和Na2CO3水溶液、丙酮、無水乙醇、去離子水中各超聲清洗10～20min，然后在溫度為80～100℃的干燥箱里鼓風干燥1～2h，或采用純度為99.99％的高純氮氣吹干。等離子體輝光刻蝕清洗包括：將化學清洗后的基體或工件放入真空室中的樣品臺上，當真空低于1×10-3Pa以后，通入氬氣并維持氣壓在0.5～2Pa，然后開啟電源并同時給基板施加負偏壓，利用氬氣產(chǎn)生的等離子體對基底刻蝕10～20min。經(jīng)等離子體輝光刻蝕清洗后，基體表面附著的水分子、氣體分子或者微塵顆粒被完全轟擊掉。所述步驟(2)中，將Si靶與射頻輔助的直流電源相連，Cr靶與中頻電源相連。該連接方式可使成膜原子數(shù)量、能量大幅度提高，在滿足高成膜速率的同時并保持較好的成膜質(zhì)量，制備的耐磨涂層致密，貫穿性孔隙少，是使所述的耐磨涂層柱狀晶沿涂層生長方向在30％～75％處能分離的關(guān)鍵因素。所述步驟(3)中，氬氣和氮氣的流量比為4：3。作為優(yōu)選，所述步驟(3)中，涂層沉積過程對基體進行了加熱，加熱溫度為400～550℃。作為優(yōu)選，所述步驟(3)中，涂層沉積過程對基體施加了負偏壓，所述負偏壓為-20V～-50V。基體施加負偏壓可以在成膜時提高等離子對膜層的轟擊力，提高膜層的密實度，但偏壓過高會使膜層產(chǎn)生過多的應(yīng)力而導(dǎo)致膜層產(chǎn)生裂紋，嚴重時會產(chǎn)生膜層脫落。本專利技術(shù)還提供了一種上述硬度寬變的耐磨涂層的應(yīng)用，所述的耐磨涂層可應(yīng)用于摩擦傳動部件。由于所述的耐磨涂層硬度在較大范圍內(nèi)可調(diào)，可使主副摩擦部件保持同樣的硬度，這樣不會由于硬度的差異，使得較低硬度的部件易被磨損，進而改善主副摩擦部件之間的融合性。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有如下優(yōu)點：(1)本專利技術(shù)開發(fā)了一種硬度寬變的耐磨涂層，所述的耐磨涂層的硬度可從10GPa變化到36GPa，而涂層的耐磨性幾乎不受影響，表現(xiàn)為所述的耐磨涂層的磨損率只發(fā)生輕微的變化，僅從2.0×10-16m3/N·m變化到5.3×10-16m3/N·m。(2)所述硬度寬變的耐磨涂層應(yīng)用于摩擦傳動部件，在可使主副摩擦部件保持同樣的硬度，這樣不會由于硬度的差異，使得較低硬度的部件易被磨損，進而改善主副摩擦部件之間的融合性。附圖說明圖1為本專利技術(shù)對比例1和實施例1～5制備的涂層的結(jié)構(gòu)示意圖；(a)對比例1，(b)實施例1～5；圖2為本專利技術(shù)實施例3制備的硬度寬變的耐磨涂層截面顯微形貌圖；(a)截面SEM形貌圖，(b)A處的局部放大TEM形貌圖；圖3為本專利技術(shù)實施例3制備的硬度寬變的耐磨涂層磨損后，磨損區(qū)域的聚焦離子束(FIB)原位切片SEM顯微形貌圖；(a)切片位置，(b)位置B處切片后形成的凹槽，(c)C處磨損后產(chǎn)生的裂紋沿膜內(nèi)擴展形貌圖，(d)D處磨損后產(chǎn)生的裂紋沿膜內(nèi)擴展形貌圖。具體實施方式以下實例中的涂層成分、涂層晶體結(jié)構(gòu)、涂層形貌、涂層硬度、涂層殘余應(yīng)力、涂層磨損率均按下述方法測定：1、涂層成分利用FEIQuantaTM250FEG的EDS功能測量涂層的成分組成，配置EDAXSi(Li)探頭，通過ZAF校準，每個樣品選定一個面積不小于70mm2區(qū)域，測量其成分的平均值。2、涂層晶體結(jié)構(gòu)采用德國BrukerD8AdvanceX射線衍射儀(XRD)，利用CuKα射線入射，波長為0.154nm，θ/θ模式，X射線管控制在40kV和40mA，測量涂層的晶體結(jié)構(gòu)，利用鎳濾波裝置過濾掉Kβ射線，設(shè)置探測角2θ為35°～65°，步長設(shè)定為0.01°。3、涂層形貌采用日立-S4800掃描電鏡(SEM,發(fā)射槍電壓8KV)，對涂層的表面、截面形貌特征進行觀察；利用FEITe本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種硬度寬變的耐磨涂層，其特征在于，所述的耐磨涂層的組成為CrxSiyN1?x?y，其中x＝0.45～0.55，y＝0.03～0.15，x,y為原子比率；所述的耐磨涂層呈長短不一的柱狀晶生長結(jié)構(gòu)，每個柱狀晶的寬度為40～150nm，柱狀晶的長寬比為15～55，沿涂層生長方向，在所述柱狀晶長度的30～75％處出現(xiàn)了分離存在孔隙，孔隙寬度為2～10nm。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種硬度寬變的耐磨涂層，其特征在于，所述的耐磨涂層的組成為CrxSiyN1-x-y，其中x＝0.45～0.55，y＝0.03～0.15，x,y為原子比率；所述的耐磨涂層呈長短不一的柱狀晶生長結(jié)構(gòu)，每個柱狀晶的寬度為40～150nm，柱狀晶的長寬比為15～55，沿涂層生長方向，在所述柱狀晶長度的30～75％處出現(xiàn)了分離存在孔隙，孔隙寬度為2～10nm。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬度寬變的耐磨涂層，其特征在于，所述的耐磨涂層為面心立方體結(jié)構(gòu)，所述的耐磨涂層沿(200)晶面擇優(yōu)生長，晶粒尺寸為6～10nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硬度寬變的耐磨涂層，其特征在于，所述的耐磨涂層的厚度為4～8μm，所述的耐磨涂層的壓應(yīng)力為0～2GPa。4.一種根據(jù)權(quán)利要求1～3任一項所述的硬度寬變的耐磨涂層的制備方法，其特征在于，采用磁控反應(yīng)濺射法制備，具體步驟包括：(1)基體清洗；(2)連接電源：將Si靶與射頻輔助的直流...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：黃峰，李朋，賈叢叢，葛芳芳，朱萍，
申請(專利權(quán))人：中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：浙江;33