一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及制备方法

一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及制备方法
【专利摘要】本发明公开一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及制备方法。所述具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层是采用多靶磁控溅射仪，由TiSiC复合靶材在依次经抛光、超声波清洗、离子清洗后的基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的。所述TiSiC复合靶材中，按原子比计算，Ti为84%，Si和C的总原子量为16%。该TiSiCN纳米复合涂层的硬度为36.1-46.0GPa，与GCr15钢球的摩擦系数为0.30-0.38，可用在干式、高速切削加工刀具以及在摩擦磨损条件服役的部件表面，从而提高刀具及部件表面性能和使用寿命。其制备方法具有工艺简单、沉积速度快、成本低、结合强度高等优点。
【专利说明】一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层及 制备方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种新型硬质保护涂层，特别涉及一种具有超高硬度、低摩擦系数的 的TiSiCN纳米复合涂层及其制备方法，利用C掺杂TiSiN纳米复合膜涂层进行进一步强化 是本发明的特点，同时由于C元素的掺杂使涂层具有较低的摩擦系数。

【背景技术】
[0002] 随着社会的进步和科技的发展，材料表面性能要求越来越高，高硬度、耐磨、耐腐 蚀性，耐高温性能等种种指标是衡量当今刀具性能的重要指标，为满足越来越高的工程需 要，在材料表面涂覆一层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，硬质 涂层作为机械功能膜的一个重要分支，在机械加工工具中应用很广，特别是在金属切削中 占了主导地位。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 了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，引起了刀具材料和性能的巨变，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，TiSiN纳米复合膜涂层由于具有高的硬度、耐磨性、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。然而，随着目前切削技术逐渐向高速切 削和干式切削方向发展，对涂层材料的硬度、抗氧化性能、热稳定性等性能提出了更高的要 求。传统的TiSiN复合涂层已逐渐不能满足现代切削技术的要求，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，纳米复合涂层的进一步研究成为硬质涂 层材料的重要发展方向。所谓纳米复合膜涂层是一种典型的用纳米结构进行强化的超硬涂 层，该涂层是由界面相包裹基体相形成的三维网状结构。其致硬机理与其界面相包裹着纳 米晶的复合结构有关，理想的TiSiN纳米复合膜涂层由纳米尺寸的TiN晶粒和Si 3N4非晶相 组合而成。整个膜层以TiN等轴纳米晶为主体，Si3N 4作为界面相包裹在TiN纳米晶四周。 由于TiN纳米晶内不含位错，难以变形，产生于低强度的Si3N 4界面相中的微裂纹则由于受 到TiN纳米晶的阻挡而难以扩展，使得纳米复合膜的硬度获得提高。因此，纳米复合涂层是 新型保护型硬质涂层的重要发展方向。
[0004] 通过查文献得知，TiSiCN纳米复合膜涂层目前已经通过多种方法成功制得，取得 不少有益的成果，如等离子体增强化学气相沉积TiSiCN纳米复合膜等。通过查询，检索到 如下有关制备TiSiCN纳米复合膜涂层的中国专利： 申请号为201110047212. 1的专利涉及了一种中频磁控溅射技术制备TiSiCN纳米复 合润滑薄膜的方法。本发明利用中频磁控溅射技术，以CH4和N2为反应气体溅射TiSi复 合靶，通过调节复合靶中Ti和Si原子比、CH4和N2气体比例、脉冲偏压制备TiSiCN纳米 复合润滑涂层。本发明解决了单一 TiC、TiN和DLC薄膜摩擦学性能的局限性，克服了 CVD 法制备TiSiCN涂层残余气体毒性大的难题。制备的涂层具有较高的硬度，低的摩擦系数和 良好的抗磨性，适用于轴承、小型转轴和空间运动部件等机械零部件表面的自润滑耐磨薄 膜。一种TiSiN+ZrSiN复合纳米涂层刀具及其制备方法，属于机械切削加工领域，采用多弧 离子镀+中频磁控溅射的方法制备，其结构为多层结构，刀具表面为ZrSiN层，ZrSiN层与 TiSiN层之间有TiZrSiN过渡层，TiSiN层与基体间有Ti过渡层，其中TiSiN和ZrSiN层中 Si含量的原子百分比为6?10%，该专利中将TiSiN涂层高硬性及ZrSiN涂层低摩擦系数 良好结合，使刀具不仅具有高硬度，还有良好的摩擦磨损性能和优异的抗高温氧化性，切削 过程中可减少粘结，减少刀具磨损，提1?刀具寿命。
[0005] 申请号为200880018340.的专利涉及了一种表面被覆切削工具包括基材和在该 基材上形成的涂膜，其特征在于所述涂膜包括复合超多层膜，所述复合超多层膜是将一个 或多个第一超多层膜和一个或多个第二超多层膜交替堆叠而获得的，上述第一超多层膜是 通过将一个或多个A1层和一个或多个B层交替堆叠而形成的，上述第二超多层膜是通过将 一个或多个A2层和一个或多个C层交替堆叠而形成的，上述A1层和上述A2层各自由TiN、 TiCN、TiAlN和TiAlCN中的任意一种构成，上述B层由TiSiN或TiSiCN构成，以及上述C层 由AlCrN或AlCrCN构成。
[0006] 申请号为201010510348. 7的专利涉及了一种硬质涂层，该硬质涂层包括一纳米 复合层，该纳米复合层包括若干TiN层和若干SiCN层，所述TiN层和SiCN层交替排布。本 发明还提供一种具有该硬质涂层的被覆件以及该被覆件的制备方法。本发明的硬质涂层硬 度高，具有较好的耐磨性能和高温抗氧化性能。
[0007] 申请号为201010192207. 5的专利涉及了一种CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该 涂层的刀具及其制备方法。该复合涂层包括粘结层、支撑层和主耐磨层，粘结层为Cr，支撑 层为CrN，主耐磨层是由CrSiN层与TiAlSiN层交替构成的CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂 层，或由纳米晶CrTiAIN镶嵌于非晶Si3N4的nc-CrTiAlN/a-Si 3N4纳米晶复合涂层。将上 述粘结层沉积在刀具基体上，再沉积支撑层和主耐磨层，即得到沉积有该涂层的刀具。本发 明所得CrTiAlSiN纳米复合涂层具有硬度高、摩擦系数低、附着力强的优点，沉积有该涂层 的刀具具有高的表面硬度、较强的膜-基附着力、良好的耐磨性能和耐高温性能。
[0008] 申请号为96110195. 4的专利涉及了一种涂覆有单层或多层耐高温材料层（其中 一层由单相k-Al203构成）的物体，其特征在于晶体在涂层物体表面具有优先在（210)方向 生长的显微结构。根据本发明的涂层刀具在加工球轴承钢时表现出增强的耐磨损性能。 [0009] 然而，上述现有的涂层仍存在着硬度、耐摩擦性能以及沉积效率无法兼顾的问题， 具有硬度、抗高温氧化性能、生产效率不能满足高速切削和干式切削的性能要求等缺点。


【发明内容】

[0010] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种具有超高硬度、低摩擦系数 的TiSiCN纳米复合涂层。即通过C掺杂使TiSiN纳米复合涂层得到进一步强化的新思路。 其采用C掺杂使得涂层纳米复合结构的界面相进一步合金化，增加了涂层中相之间的弹性 模量差，也使得涂层中交变应力场增强，同时涂层中的晶化界面相SiN与其包裹的纳米晶 TiN呈共格外延生长，阻碍了 TiN纳米晶粒沿晶界的滑移，抑制了 TiSiCN纳米复合膜的微观 变形，以达到全面提高硬度和弹性模量的效果，同时由于C元素的掺杂使涂层具有较低的 摩擦系数。该涂层可作为高速干式切削的刀具涂层和其它耐摩擦磨损领域的保护性涂层。 [0011] 本发明的另外一目的是提供上述的一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳 米复合涂层的制备方法，该制备方法具有生产效率高、能耗低、对设备要求较低等优点。
[0012] 本发明的技术方案 一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层是采用多靶磁控溅射仪，由 TiSiC复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的，其厚度优选为2. 5-4. 0 μ m ; 所述基体为金属、硬质合金、陶瓷或单晶Si。
[0013] 上述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的制备方法，具体包括 如下步骤： (1) 、清洗基体 首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次在分析纯的无水酒精和丙酮中利 用15?30kHz超声波进行清洗5?lOmin ;然后进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽真 空到6 X 10_4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用中频对基体进行为时30min的离子轰 击（JGP-450型磁控溅射系统，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司），功率为80-100W ; (2) 、TiSiCN纳米复合涂层的制备 将基体置入多靶磁控溅射仪并停留在TiSiC复合靶之前，通过磁控溅射反应沉积获得 具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层； 所述的磁控溅射反应沉积过程的工艺控制参数为： 所述的TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Ti为84%，Si和C的总原子量为16%， 按原子比计算，其中 Si :C 为 12% :4 %、2% :14 %、8 % :8%、4 %: 12 % 或 0 % :16 % ; TiSiC复合靶材的直径为75_ ; Ar 气流量：30_50sccm，N2 气流量：4_10sccm ; 射频溅射功率300W，时间2h ; 革巴基距3_7cm ; 总气压范围0. 2-0. 4Pa ; 基体温度为300°C。
[0014] 上述所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层中的晶化界面相 SiN与其包裹的纳米晶TiN呈共格外延生长，涂层出现连续、结晶度良好的柱状晶。
[0015] 上述所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，其硬度可达 36. 1-46. OGPa，与GCrl5钢球的摩擦系数仅为0. 30-0. 38,可应用在干式、高速切削加工刀 具以及在摩擦磨损条件服役的部件表面，从而提高刀具及部件表面性能和使用寿命。
[0016] 本发明的有益技术效果 本发明的一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，根据TiSiN纳米复 合膜的变形机制，当TiN晶粒尺寸足够小时，尤其小于10nm时，位错运动不再成为材料变形 的微观机制，而材料变形主要取决于TiN纳米晶粒沿晶界的滑移。本发明在TiSiN纳米复 合膜中掺杂C元素，采用C掺杂使得涂层的界面相复杂化，增加了涂层中相之间的弹性模 量差，也使得涂层中交变应力场增强，同时涂层中的晶化界面相SiN与其包裹的纳米晶TiN 呈共格外延生长，阻碍了 TiN纳米晶粒沿晶界的滑移，因此抑制TiSiN纳米复合膜的微观变 形，使TiSiN纳米复合膜进一步强化。同时由于C元素的掺杂使涂层具有较低的摩擦系数， 因此本发明的一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层可用作为高速、干式 切削的刀具涂层和其它耐摩擦磨损领域的保护性涂层。
[0017] 进一步，本发明的一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的制备 方法，其制备过程具有生产效率高、能耗低、对设备要求较低等优点，适于规模化生产。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 图1、实施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的选区电 子衍射图； 图2、实施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的透射电镜 图； 图3a、实施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层中Si的XPS 图谱； 图3b、实施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层中C的XPS 图谱； 图3c、实施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层中Ti的XPS 图谱； 图3d、实施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层中N的XPS 图谱。

【具体实施方式】
[0019] 下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步的详细说明，但并不限制本发 明。
[0020] 本发明所用的制备、表征和测量仪器： JGP-450型磁控溅射系统，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司； D8 Advance型X射线衍射仪，德国Bruker公司； NANO Indenter G200型纳米压痕仪，美国安捷伦科技公司； HSR-2M涂层摩擦磨损试验机，兰州中科凯华科技开发有限公司； Tecnai G2 20型高分辨透射电子显微镜，美国FEI公司； Quanta FEG450型扫描电子显微镜，美国FEI公司； Axis Ultra DLD型X射线光电子能谱仪，英国Kratos。
[0021] 实施例1 一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，是采用多靶磁控溅射仪，由 TiSiC复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的； 所述的基体为单晶Si。
[0022] 上述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的制备方法，具体包括 如下步骤： (1)、清洗基体 首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次在分析纯的无水酒精和丙酮中利 用15?30kHz超声波进行清洗5?lOmin ;然后进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽真 空到6 X 10_4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用中频对基体进行为时30min的离子轰 击，功率为80-100W ; (2)、TiSiCN纳米复合涂层的制备 将基体置入多靶磁控溅射仪并停留在TiSiC复合靶之前，通过磁控溅射反应沉积获得 具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层； 所述的磁控溅射反应沉积过程的工艺控制参数为： 所述的TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Ti为84%，Si和C的总原子量为16%， 按原子比计算，其中Si :C为12% :4% ; TiSiC复合靶材的直径为75mm ; Ar 气流量：38sccm，N2 气流量：5sccm ; 射频溅射功率300W，时间2h ; 革巴基距5 cm ; 总气压范围0. 4Pa ; 基体温度为300°C。
[0023] 采用Quanta FEG450型扫描电子显微镜仪器，对上述所得的具有超高硬度、低摩擦 系数的TiSiCN纳米复合涂层的厚度进行检测，其厚度约为2. 5um ; 采用NANO Indenter G200型纳米压痕仪仪器，对上述所得的具有超高硬度、低摩擦系 数的TiSiCN纳米复合涂层的硬度进行检测，其硬度为36. lGPa ; 采用HSR-2M涂层摩擦磨损试验机仪器对上述所得的具有超高硬度、低摩擦系数的 TiSiCN纳米复合涂层与GCrl5钢球的摩擦系数进行检测，其与GCrl5钢球的摩擦系数为 0· 38。
[0024] 实施例2 一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，是采用多靶磁控溅射仪，由 TiSiC复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的； 所述的基体为单晶Si。
[0025] 上述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的制备方法，具体包括 如下步骤： (1) 、清洗基体 首先将单面经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次在分析纯的无水酒精和丙酮 中利用15?30kHz超声波进行清洗5?lOmin ;然后进行离子清洗，即将基体装进真空室， 抽真空到6 X 10_4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用中频对基体进行为时30min的离 子轰击，功率为80-100W ; (2) 、TiSiCN纳米复合涂层的制备 将基体置入多靶磁控溅射仪并停留在TiSiC复合靶之前，通过磁控溅射反应沉积获得 具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层； 所述的磁控溅射反应沉积过程的工艺控制参数为： 所述的TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Ti为84%，Si和C的总原子量为16%， 按原子比计算，其中Si :C为8% :8% ; TiSiC复合靶材的直径为75mm ; Ar 气流量：50sccm，N2 气流量：10sccm ; 射频溅射功率300W，时间2h ; 革巴基距5 cm ; 总气压范围〇. 3Pa ; 基体温度为300°C。
[0026] 上述所得具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层经检测，其厚度约为 3. 2um，硬度为46. OGPa，与GCrl5钢球的摩擦系数为0. 35。
[0027] 采用Tecnai G2 20型高分辨透射电子显微镜对上述所得的具有超高硬度、低摩擦 系数的TiSiCN纳米复合涂层进行测定，所得的选区电子衍射图如图1所示，从图1中可以 看出TiN (200)光环明亮，由此表明了薄膜中形成较好柱状晶，TiN衍射峰（200)结晶度较 好； 采用Tecnai G2 20型高分辨透射电子显微镜对上述所得的具有超高硬度、低摩擦系数 的TiSiCN纳米复合涂层进行测定，所得的透射电镜图如图2所示，从图2中可以看出薄膜 中存在界面相包裹晶体相的结构以及连续的条纹，由此表明了薄膜具有晶化界面相包裹纳 米晶的纳米复合结构，同时薄膜还有结晶度良好的柱状晶； 采用Axis Ultra DLD型X射线光电子能谱仪对上述所得的具有超高硬度、低摩擦系数 的TiSiCN纳米复合涂层进行测定，所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂 层中Si的XPS图谱如图3a所示，从图3a中可以看出薄膜中Si2p价键为Si-N的结合形式， 由此表明了薄膜中含有SiN相； 采用Axis Ultra DLD型X射线光电子能谱仪对上述所得的具有超高硬度、低摩擦系数 的TiSiCN纳米复合涂层进行测定，所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂 层中C的XPS图谱如图3b所示，从图3b中可以看出Cls价键为C-C的结合形式，由此表明 了薄膜中含有C单质相； 采用Axis Ultra DLD型X射线光电子能谱仪对上述所得的具有超高硬度、低摩擦系数 的TiSiCN纳米复合涂层进行测定，所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂 层中Ti的XPS图谱如图3c所示，从图3c中可以看出Ti2p价键为TiN的结合形式，由此表 明了薄膜中含有TiN相； 采用Axis Ultra DLD型X射线光电子能谱仪对上述所得的具有超高硬度、低摩擦系数 的TiSiCN纳米复合涂层进行测定，所得的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂 层中N的XPS图谱如图3d所示，从图3d中可以看出Nls价键为TiN的结合形式，由此进一 步表明了薄膜中含有TiN相。
[0028] 实施例3 一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，是采用多靶磁控溅射仪，由 TiSiC复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的； 所述的基体为单晶Si。
[0029] 上述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的制备方法，具体包括 如下步骤： (1)、清洗基体 首先将单面经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次在分析纯的无水酒精和丙酮 中利用15?30kHz超声波进行清洗5?lOmin ;然后进行离子清洗，即将基体装进真空室， 抽真空到6 X 10_4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用中频对基体进行为时30min的离 子轰击，功率为80-100W ; (2)、TiSiCN纳米复合涂层的制备 将基体置入多靶磁控溅射仪并停留在TiSiC复合靶之前，通过磁控溅射反应沉积获得 具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层； 所述的磁控溅射反应沉积过程的工艺控制参数为： 所述的TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Ti为84%，Si和C的总原子量为16%， 按原子比计算，其中Si :C为4%: 12% ; TiSiC复合靶材的直径为75mm ; Ar 气流量：30sccm，N2 气流量：5sccm ; 射频溅射功率300W，时间2h ; 革巴基距5 cm ; 总气压范围0. 2Pa ; 基体温度为300°C。
[0030] 经检测，上述所得具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的厚度约为 3. 5um，硬度为41. 3GPa，与GCrl5钢球的摩擦系数为0. 33。
[0031] 实施例4 一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，是采用多靶磁控溅射仪，由 TiSiC复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的； 所述的基体为单晶Si。
[0032] 上述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的制备方法，具体包括 如下步骤： (1) 、清洗基体 首先将经单面抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次在分析纯的无水酒精和丙酮 中利用15?30kHz超声波进行清洗5?lOmin ;然后进行离子清洗，即将基体装进真空室， 抽真空到6 X 10_4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用中频对基体进行为时30min的离 子轰击，功率为80-100W ; (2) 、TiSiCN纳米复合涂层的制备 将基体置入多靶磁控溅射仪并停留在TiSiC复合靶之前，通过磁控溅射反应沉积获得 具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层； 所述的磁控溅射反应沉积过程的工艺控制参数为： 所述的TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Ti为84%，Si和C的总原子量为16%， 按原子比计算，其中Si :C为2% :14% ; TiSiC复合靶材的直径为75mm ; Ar 气流量：32 seem, N2 气流量：4sccm ; 射频溅射功率300W，时间2h ; 革巴基距5 cm ; 总气压范围〇. 3 Pa ; 基体温度为300°C。
[0033] 经检测，上述所得具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的厚度约为 4. Oum，硬度为39. 4GPa，与GCrl5钢球的摩擦系数为0· 32。 实施例5 一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，是采用多靶磁控溅射仪，由 TiSiC复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的； 所述的基体为单晶Si。
[0034] 上述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的制备方法，具体包括 如下步骤： (1) 、清洗基体 首先将经单面抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次在分析纯的无水酒精和丙酮 中利用15?30kHz超声波进行清洗5?lOmin ;然后进行离子清洗，即将基体装进真空室， 抽真空到6 X 10_4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，用中频对基体进行为时30min的离 子轰击，功率为80-100W ; (2) 、TiSiCN纳米复合涂层的制备 将基体置入多靶磁控溅射仪并停留在TiSiC复合靶之前，通过磁控溅射反应沉积获得 具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层； 所述的磁控溅射反应沉积过程的工艺控制参数为： 所述的TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Ti为84%，Si和C的总原子量为16%， 按原子比计算，其中Si :C为0% :16% ; TiSiC复合靶材的直径为75mm ; Ar 气流量：40sccm，N2 气流量：8 seem ; 射频溅射功率300W，时间2h ; 革巴基距5 cm ; 总气压范围0. 4Pa ; 基体温度为300°C。
[0035] 经检测，上述所得具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的厚度约为 3. lum，硬度为38. 2GPa，与GCrl5钢球的摩擦系数为0. 30。
[0036] 综上所述，本发明的一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层 是由磁控溅射方法制备的，所得的TiSiCN纳米复合涂层的厚度约为2. 5-4. Oum，硬度为 36. 1-46. OGPa，与GCrl5钢球的摩擦系数为0. 30-0. 38,并且硬度在实施例2处达到最高 46. OGPa，同时在该实例处也具有较低的摩擦系数，为0. 35,所得的TiSiCN纳米复合涂层在 实施例5处摩擦系数最低，仅为0. 3,由此表明，本发明所得的TiSiCN纳米复合涂层具有超 高硬度、低摩擦系数。
[0037] 以上所述仅是本发明的优选实施案例，需要说明的是，对于该领域的一般技术人 员，在不脱离本发明方法的前提下，还可做出些许补充和改进，这些补充和改进也应视为本 发明的保护范围。
【权利要求】
1. 一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，其特征在于所述具有超高 硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层是采用多靶磁控溅射仪，由TiSiC复合靶材在依 次经抛光、超声波清洗、离子清洗后的基体上进行磁控溅射反应沉积而形成的； 所述的基体为金属、硬质合金、陶瓷或单晶Si。
2. 如权利要求1所述的一种具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，其特 征在于所述的磁控溅射反应沉积，其过程的工艺控制如下： 采用TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Ti为84%，Si和C的总原子量为16%，TiSiC 复合祀材的直径为75mm ; Ar 气流量：30_50sccm，N2 气流量：4_10sccm ; 射频溅射功率300W，时间2h ; 革巴基距3_7cm ; 总气压范围0. 2-0. 4Pa ; 基体温度为300°C。
3. 如权利要求2所述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，其特征在 于所述的TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Si :C为12% :4%、8% :8%、4%: 12%、2% :14% 或 0% : 16%。
4. 如权利要求2所述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，其特征在 于所述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层厚度为2. 5-4. 0 μ m。
5. 如权利要求2所述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层，其特征在 于所述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层中的晶化界面相SiN与其包裹 的纳米晶TiN呈共格外延生长，涂层出现连续、结晶度良好的柱状晶。
6. 如权利要求1、2、3或4所述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的 制备方法，其特征在于具体包括如下步骤： (1) 、清洗基体 首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，依次在分析纯的无水酒精和丙酮中利 用15?30kHz超声波进行清洗5?lOmin ; 然后进行离子清洗； 所述的离子清洗即将基体装进真空室，抽真空到6Xl(T4Pa后通入Ar气，维持真空度在 2-4Pa，用中频对基体进行为时30min的离子轰击，功率为80-100W ; (2) 、TiSiCN纳米复合涂层的制备 将基体置入多靶磁控溅射仪并停留在TiSiC复合靶之前，通过磁控溅射反应沉积获得 具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层； 上述的磁控溅射反应沉积过程的工艺控制如下： 所述的TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Ti为84%，Si和C的总原子量为16%， TiSiC复合靶材的直径为75_ ; Ar 气流量：30_50sccm，N2 气流量：4_10sccm ; 射频溅射功率300W，时间2h ; 革巴基距3_7cm ; 总气压范围0. 2-0. 4Pa ; 基体温度为300°C。
7.如权利要求6所述的具有超高硬度、低摩擦系数的TiSiCN纳米复合涂层的制备方 法，其特征在于步骤（2)中所述的TiSiC复合靶材中，按原子比计算，其中Si :C为12% :4%、 8% :8%、4%: 12%、2% :14% 或 0% :16%。
【文档编号】C23C14/35GK104087898SQ201410341995
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】李伟, 薛增辉, 刘平, 马凤仓, 刘新宽, 陈小红, 何代华 申请人:上海理工大学