一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种新型硬质保护涂层，特别涉及一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层，主要应用于高温真空且要求高硬度、又具有高耐摩擦性能的服役场合。
【背景技术】
[0002]不同的工况环境对设备要求也不同，高温真空环境对材性能提出了很高的要求，尤其是传动部件不仅要求其具有较高的硬度、耐腐蚀性能，更要求其具有较高的耐摩擦磨损性能和耐高温性能，以满足越来越高的工作需要。在材料表面涂覆一层保护性硬质涂层是提高材料表面性能的一种经济实用的有效途径，保护性涂层作为机械功能膜的一个重要分支，在机械行业中深应用很广。硬质涂层能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命。它的发展适应了现代制造业复杂工况的高技术要求，引起了材料和性能的巨变，可被广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。
[0003]多年来，三元氮化物由于具有高的硬度、耐磨性、耐高温、耐蚀性、较高的抗氧化性能等优点被广泛应用于保护性硬质涂层材料，如TiAIN、CrAlN, ZrAlN和TiSiN等，已经在提高零件的使用性能和寿命上取得了较好的效果。然而，随着目前材料服役环境的愈发恶劣，对涂层材料的硬度、耐高温、耐摩擦磨损性能等性能提出了更高的要求。传统的单层涂层已逐渐不能满足恶劣服役条件的要求，因此迫切需要开发新型的保护性涂层材料。随着纳米科学与技术的发展，纳米多层涂层成为硬质涂层材料的重要发展方向。所谓多层涂层是由两种或两种以上成分或结构不同的材料在垂直于涂层表面方向上相互交替生长而形成的二维多层材料，对于两种不同结构或组成的多层涂层，每相邻两层形成一个基本单元，其厚度称为调制周期，通常将调制周期小于10nm的多层涂层成为纳米多层涂层，研宄表明，当调制周期为特定的厚度时，纳米多层涂层将呈现硬度异常升高的“超硬效应”，使纳米多层涂层具有高的力学性能。另外，作为一种二维复合材料，纳米多层涂层可以充分利用每种材料的优点，使其的综合性能得到提升。因此，纳米多层涂层是新型保护型硬质涂层的重要发展方向。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，提供一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层，该CrAlN/WS2涂层，即采用三元氮化物和硫化物的组合，由CrAlN层和WS2层交替沉积在基体上形成的具有高硬度和高耐摩擦性能的纳米量级的多层结构。
[0005]为了实现上述目的，本实用新型是通过如下的技术方案来实现:一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层，包括纳米多层涂层，所述纳米多层涂层由多个CrAlN纳米层和WS2纳米层构成，各CrAlN纳米层和WS2纳米层通过多弧离子镀的方式交替溅射沉积在基体上形成纳米量级多层结构，所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。
[0006]进一步的，所述纳米多层涂层的总厚度为2.0-4.5 μπι。
[0007]进一步的，每一所述CrAlN纳米层的厚度为5.0nm，每一所述WS2纳米层的厚度为0.2 ?L 4nm0
[0008]进一步的，当每一所述WS2纳米层厚度小1.0nm时，将会在CrAlN纳米层的模板作用下强制转化为面心立方结构。
[0009]本实用新型的有益技术效果:所述的一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层，由于采用耐温及硬度较高的CrAlN纳米层和摩擦系数较低的WS2纳米层交替磁控溅射制备的多层涂层，利用纳米多层涂层的共格外延生长结构抑制位错运动，使最终所得的CrAlN/WS2多层涂层的硬度得到提升，其最大硬度达39.2 GPa ；由于WS2纳米层的加入使该CrAlN/WS2多层涂层具有较低的摩擦系数，其与GCrl5钢球的摩擦系数低于0.30，从而表现出优异的耐摩擦性能。因此，该具有耐高温、高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层可作为保护涂层，用于高温环境且要求高硬度、又具有高耐摩擦性能的服役场合
【附图说明】
[0010]附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。
[0011]在附图中:
[0012]图1是本实用新型的结构示意图；
[0013]图中标号:1、WS2纳米层；2、CrAlN纳米层；3、基体。
【具体实施方式】
[0014]为使本实用新型实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合【具体实施方式】，进一步阐述本实用新型。
[0015]如图1所示:一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层，包括纳米多层涂层，所述纳米多层涂层由多个CrAlN纳米层2和WS2纳米层I构成，各CrAlN纳米层2和WS2纳米层I通过多弧离子镀的方式交替溅射沉积在基体3上形成纳米量级多层结构，所述基体3为金属、硬质合金或陶瓷。所述纳米多层涂层的总厚度为2.0-4.5 μπι;每一所述CrAlN纳米层2的厚度为5.0nm,每一所述WS2纳米层I的厚度为0.2?1.4nm ；当每一所述WS2纳米层I厚度小1.0nm时，将会在CrAlN纳米层2的模板作用下强制转化为面心立方结构。
[0016]实例1:所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.4Pa ；Ar气流量为32sccm，N 2气流量为32sccm ；CrAlN纳米层2溅射功率120W，时间1s ；WS2纳米层I溅射功率80W，时间2s ;靶基距50-100cm ;基体3温度为300°C。
[0017]上述所得具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层经检测，CrAlN纳米层2厚度为5nm，WS2纳米层I厚度为0.2nm，具有耐高温、高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2多层涂层总厚度为2.5 μ m，硬度为36.8GPa，在与GCrl5钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.27。
[0018]实施例2:所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.2Pa ；Ar气流量为20sccm，N 2气流量为20sccm ；CrAlN纳米层2溅射功率120W，时间1s ；WS2纳米层I溅射功率80W，时间4s ;靶基距50-100cm ;基体3温度为300 °C。
[0019]上述所得具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层经检测，CrAlN纳米层2厚度为5nm，WS2纳米层I厚度为0.6nm，具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层总厚度为2.9 μπι，硬度为37.lGPa，在与GCrl5钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.24。
[0020]实施例3:所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.5Pa ；Ar气流量为36sccm，N 2气流量为36sccm ；CrAlN纳米层2溅射功率120W，时间1s ;WS2纳米层I溅射功率80W，时间6s ;靶基距50-100cm ;基体3温度为300°C。
[0021]上述所得具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层经检测，CrAlN纳米层2厚度为5.0nm, WS2纳米层I厚度为1.0nm，具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层总厚度为3.4ym，硬度为39.2GPa，在与GCrl5钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.28。
[0022]实施例4:所述的CrAl合金靶中，Cr和Al按原子比为1: 1，WS2靶为S+ WS2烧结而成比例为1:1.5 ；CrAl合金靶和WS2靶的直径均为10mm ;所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.6Pa ；Ar气流量为50sccm，N 2气流量为50sccm ；CrAlN纳米层2溅射功率120W,时间1s ；WS2纳米层I溅射功率80W，时间8s ;靶基距50_100cm ;基体3温度为300。。。
[0023]上述所得具有耐高温、高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层经检测，CrAlN纳米层2厚度为5nm，WS2纳米层I厚度为1.2nm，具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层总厚度为3.9^111，硬度37.66?&，在与GCrl5钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.30。
[0024]实施例5:所述的CrAl合金靶中，Cr和Al按原子比为1: 1，WS2靶为S+ WS2烧结而成比例为1: 1.5，CrAl合金靶和WS2靶的直径均为10mm ;所述的氩、氮混合气氛，总气压为0.4Pa ；Ar气流量为40sccm，N 2气流量为28sccm ；CrAlN纳米层2溅射功率120W，时间1s ；WS2纳米层I溅射功率80W，时间1s ;靶基距50_100cm ;基体3温度为300°C。
[0025]上述所得具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层经检测，CrAlN纳米层2厚度为5nm，WS2纳米层I厚度为1.4nm，具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层总厚度为4.5 μ m，硬度为37.2GPa，在与GCrl5钢球进行摩擦中的摩擦系数为0.26。
[0026]综上所述，一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层，由于采用耐温、硬度较高的CrAlN纳米层2和摩擦系数较低的WS2纳米层I交替磁控溅射制备的多层涂层，WS2层可被CrAlN所晶化，呈现出面心立方结构，并与CrAlN保持共格外延生长结构，利用该结构抑制位错运动，使最终所得的CrAlN/WS2多层涂层的硬度得到提升，其最大硬度达39.2GPa ;另外，由于WS2纳米层的加入使该CrAlN/WS2多层涂层具有较低的摩擦系数，其与GCrl5钢球的摩擦系数低于0.30，从而表现出优异的耐摩擦性能。因此，该具有耐高温、高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2多层涂层可作为保护涂层，用于即要求耐高温、高硬度、又具有高耐摩擦性能的服役场合。
[0027]最后应说明的是:以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层，包括纳米多层涂层，其特征在于:所述纳米多层涂层由多个CrAlN纳米层和WS2纳米层构成，各CrAlN纳米层和WS2纳米层通过多弧离子镀的方式交替溅射沉积在基体上形成纳米量级多层结构，所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。
2.根据权利要求1所述一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层，其特征在于:所述纳米多层涂层的总厚度为2.0-4.5 μπι。
3.根据权利要求1或2所述一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层，其特征在于:每一所述CrAlN纳米层的厚度为5.0nm，每一所述WS2纳米层的厚度为0.2?1.4nm0
4.根据权利要求1或2所述一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层，其特征在于:当每一所述WS2纳米层厚度小1.0nm时，将会在CrAlN纳米层的模板作用下强制转化为面心立方结构。
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/WS2涂层,包括纳米多层涂层，所述纳米多层涂层由多个CrAlN纳米层和WS2 纳米层构成,各CrAlN纳米层和WS2 纳米层通过多弧离子镀的方式交替溅射沉积在基体上形成纳米量级多层结构，所述纳米多层涂层的总厚度为2.0-4.5μm；每一所述CrAlN 纳米层的厚度为5.0nm；每一所述WS2纳米层的厚度为0.2～1.4nm。本实用新型有益效果：该具有高硬度和低摩擦系数的 CrAlN/WS2涂层可作为保护涂层，用于高温环境且要求高硬度、又具有高耐摩擦性能的服役场合。
【IPC分类】B32B33-00
【公开号】CN204431874
【申请号】CN201420754048
【发明人】刘野, 王洪权
【申请人】大连维钛克科技股份有限公司
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2014年12月5日