一种多层复合超厚自润滑硬质涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于涂层材料制备技术领域，具体涉及一种多层复合超厚自润滑硬质涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]以TiN为代表的金属氮化物硬质涂层由于其较高的表面硬度、与基体结合力强、耐磨性能优良等优点被作为工件的表面防护涂层，显著提高了其表面服役性能。然而，目前TiN涂层的应用仍然存在许多问题，由于涂层大多数是沉积在软质金属基体之上，这种软基体/硬膜层组成的所谓“蛋壳效应”使得TiN涂层极易发生脆性破裂，再者，TiN涂层的摩擦系数高达0.5?0.6左右，较高的摩擦系数会导致涂层的快速失效。另外，目前工程应用领域TiN涂层的普遍厚度在Ιμπι?8μπι，防护效果有限，进一步提高TiN涂层的厚度就会引发涂层与基体之间的剥落及开裂。究其原因，是由于涂层沉积过程中内部积聚的热应力无法得到有效的缓解与释放，这种热应力是由于涂层与基体在晶格结构、弹性模量等物理性能的不匹配造成的，随着涂层厚度的增加，热应力积聚会越来越明显，涂层出现剥落的几率也就越来越大，显著影响到涂层的疲劳寿命、结合强度等。
[0003 ]制备高硬度T i N涂层的技术方法有多种，诸如化学气相沉积、磁控溅射、电弧离子镀等。化学气相沉积由于涂层中存在C1元素、涂层过高的制备温度损伤基体性能、后续尾气对环境有害等已不再成为TiN涂层制备的主流技术。磁控溅射沉积技术获得的涂层组织细密，绕射性好，但涂层的结合强度不高，沉积效率低，适合于涂层中细密离子的掺杂。电弧离子镀技术则沉积速度快，结合强度高，但涂层中存在的“液滴”等大颗粒显著提高涂层的表面粗糙度和疏松，引起摩擦系数的升高。另外，采用上述技术很难获得厚度超过50μπι的超厚涂层。
[0004]如上所述，现今国内外在TiN硬质涂层的制备上均采用单一的磁控溅射、电弧离子镀技术等，并不能有效提高TiN涂层的厚度、耐磨减摩性能。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种多层复合超厚自润滑硬质涂层的制备方法，该方法利用磁过滤电弧离子镀技术消除涂层中存在的“液滴”等大颗粒缺陷，利用磁控溅射技术在TiN中实现C的掺杂，通过控制C源的间歇式掺杂实现厚度不小于120μπι的多层复合超厚自润滑硬质涂层的制备，该方法既保证了硬质涂层摩擦系数的降低，又保证了涂层硬度和韧性的同步提高。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种多层复合超厚自润滑硬质涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:
[0007]步骤一、将金属基体表面抛光至镜面后浸泡于酸液中进行酸洗活化，然后将磁过滤电弧钛靶、溅射靶材和酸洗活化后的金属基体置于真空物理气相沉积设备的真空室中，向所述真空室内通入氩气至室内气压为1 X 10—2Pa?1 X 10—^a，开启磁过滤电弧钛靶，所述磁过滤电弧钛靶放电产生的Ti离子对酸洗活化后的金属基体表面进行离子轰击活化;所述磁过滤电弧钛靶的放电电流为60A?100A，所述离子轰击活化中金属基体的偏压为-800V?-1200V，温度为200°C?300°C;所述溅射靶材为石墨靶材；
[0008]步骤二、待步骤一中所述离子轰击活化完毕后向真空室内通入氩气保持室内气压为0.1Pa?0.6Pa，在所述磁过滤电弧钛靶的放电电流为60A?100A，金属基体的偏压为-50V?-200V的条件下，在步骤一中离子轰击活化后的金属基体表面沉积Ti过渡层，所述沉积的时间为2min?lOmin;
[0009]步骤三、待步骤二中所述Ti过渡层沉积完毕后向真空室内通入氩气和氮气保持室内气压为0.1Pa?0.6Pa，在磁过滤电弧钛靶的放电电流为60A?100A，金属基体的偏压为-50V?-200V的条件下，在步骤二中所述Ti过渡层表面沉积TiN中间复合层，沉积完毕后停止通入氮气，所述沉积的时间为2m i η?1 Om i η;
[0010]步骤四、待步骤三中所述TiN中间复合层沉积完毕后向真空室内通入氩气保持室内气压为0.1Pa?0.6Pa，开启磁控派射电源，在磁过滤电弧钛革E的放电电流为60A?100A，金属基体的偏压为-50V?-200V，溅射靶材的溅射电流为5A?15A的条件下，在步骤三中所述T i N中间复合层表面沉积T i C中间复合层，所述沉积的时间为2m i η?1 Om i η;
[0011]步骤五、待步骤四中所述TiC中间复合层沉积完毕后向真空室内通入氩气和氮气保持室内气压为0.1Pa?0.6Pa，在磁过滤电弧钛靶的放电电流为60A?100A，金属基体的偏压为-50V?-200V，溅射靶材的溅射电流为5A?15A的条件下，在步骤四中所述TiC中间复合层表面沉积TiCN层，沉积完毕后停止通入氩气和氮气，关闭磁过滤电弧钛靶和磁控溅射电源，得到表面具有复合涂层的金属基体;所述沉积的时间为lOmin?20min ；
[0012]步骤六、在步骤五中具有复合涂层的金属基体表面重复步骤二至步骤五中的沉积过程50?100次，在金属基体表面得到厚度不小于120μπι的多层复合超厚自润滑硬质涂层。
[0013]上述的一种多层复合超厚自润滑硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中所述酸液为质量浓度为1 %?10%的草酸溶液。
[0014]上述的一种多层复合超厚自润滑硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中所述酸洗活化的时间为10s?30s。
[0015]上述的一种多层复合超厚自润滑硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤一中所述离子轰击活化的时间为5min?lOmin。
[0016]上述的一种多层复合超厚自润滑硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤三中所述氩气和氮气的气体流量比为1: (2?5)。
[0017]上述的一种多层复合超厚自润滑硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤五中所述氩气和氮气的气体流量比为1: (2?5)。
[0018]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0019]1、本发明利用磁过滤电弧离子镀技术消除涂层中存在的“液滴”等大颗粒缺陷，利用磁控溅射技术在TiN中实现C的掺杂，通过控制C源的间歇式掺杂实现厚度不小于120μπι的多层复合超厚自润滑硬质涂层的制备，该方法既保证了硬质涂层摩擦系数的降低，又保证了涂层硬度和韧性的同步提高。
[0020]2、本发明采用磁过滤电弧离子镀技术复合磁控溅射技术在金属基体表面制备得到多层复合超厚自润滑硬质涂层，通过对涂层的结构和成分设计，使得所制备的硬质涂层在厚度超过120μπι的同时，保证其与基体的结合强度，解决了 PVD法难以获得厚度超过数十微米的技术难题。
[0021]3、本发明利用磁控溅射技术实现了在硬质涂层中掺杂C，在显著改善硬质涂层韧性的同时，降低了其摩擦系数，使得硬质涂层具备了自润滑减摩性能，提高了硬质涂层的使用性能。
[0022]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
【附图说明】
[0023]图1为本发明实施例1制备的硬质涂层的断面组织形貌图。
[0024]图2为本发明实施例1制备的