一种高温低摩擦系数硬质涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料表面涂层技术领域，具体涉及一种高温低摩擦系数硬质涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]随着现代机械制造业的发展，高速、高精度自动加工设备和难加工材料的大量使用，对高性能金属切削刀具提出了更高的要求。硬质镀层具有较高的热稳定性和化学惰性，减少了切削摩擦热向基底传递，而镀层自身高的硬度和良好的耐磨性，保证了刀具刃部良好的锋利性和切削性能。但在高速切削时，液体润滑剂性能往往面临因高温而衰减的问题，切削液在生产、使用、排放及后处理过程中需要消耗大量资源和能源，对环境也有一定的污染，随着工业排放标准更加严格，切削液的使用受到进一步限制。由于硬质镀层的摩擦因数普遍较高，不仅使磨损加剧，而且大量切削热导致镀层产生氧化、热疲劳等现象。因此，在确保耐磨性和高温抗氧化性的前提下，尽可能降低镀层的摩擦系数对于提高刀具的耐磨性和切削性能效果更好。
[0003]过渡族金属钼的氮化物硬度可达23GPa，与CrN、TiN等相近，而摩擦系数较低。高温下的摩擦系数可以更低，但耐磨性急剧下降，限制了其在严酷切削条件下的应用。目前研究Mo-B-C-N四兀涂层的文献尚未见报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种高温低摩擦系数硬质涂层及其制备方法，通过共溅射的方法制备出Mo-B-C-N四元涂层，该涂层兼备耐磨和高温低摩擦系数的特点。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]—种高温低摩擦系数硬质涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0007]1)将由金属Mo与B4C构成的复合靶和基底分别置于磁控溅射设备真空室内的阴极和样品台上；
[0008]2)对磁控溅射设备真空室抽真空，然后用氩离子束溅射清洗基底表面；
[0009]3)向磁控溅射设备真空室内通入氩气和氮气，磁控溅射复合靶，并在沉积过程中用氮离子束对沉积中的涂层进行辅助轰击，得到高温低摩擦系数硬质涂层。
[0010]所述的复合靶中的金属Mo与B4C的面积比为20:1?2:1，Mo的纯度为99.99%、B4C的纯度为99.9%，复合靶与基底间的距离为80?120mm。
[0011]所述的基底为金属基底或陶瓷基底，其中金属基底为钢、铸铁或硬质合金。
[0012]所述步骤2)中将磁控溅射设备真空室内的真空度抽到<5X10—4Pa后，用能量为800?1000eV、束流密度为10?20yA/cm2的氩离子束溅射清洗基底表面至少lOmin。
[0013]所述步骤3)中通入的氩气和氮气的流量比为1:1?1:10，工作气压为0.1?2Pa。
[0014]所述步骤3)中磁控溅射的功率为100?300W，时间为120?240min。
[0015]所述步骤3)中在沉积过程中用能量为500eV?2000eV、束流密度为5?ΙΟμΑ/cm2的氮离子束对沉积中的涂层进行辅助轰击。
[0016]所述步骤3)中在磁控溅射结束后，停止通入氩气和氮气，保持真空状态，至基底温度 <60。。。
[0017]所述的高温低摩擦系数硬质涂层的制备方法制得的高温低摩擦系数硬质涂层，该高温低摩擦系数硬质涂层为Mo-B-C-N四元涂层，其中C元素的原子百分比为2?12%，B元素的原子百分比为0.5?8%，Mo元素的原子百分比为55?42%，N元素的原子百分比为44?38%。
[0018]该高温低摩擦系数硬质涂层的硬度为27?31GPa，常温下的摩擦系数2 0.23，600°C时的摩擦系数2 0.15。
[0019 ]相对于现有技术，本发明的有益效果为:
[0020]本发明提供的高温低摩擦系数硬质涂层的制备方法，在氮化钼的基础上，选用了合适的Mo/B4C复合靶以及相应的溅射工艺参数，采用反应磁控溅射技术阴极溅射金属Mo和B4C复合靶，并与真空室中Ar和N2混合气体中的N2气反应，在基底表面形成了获得了 C、B元素含量适当的Mo-B-C-N四元硬质涂层，即高温低摩擦系数硬质涂层，通过调节复合靶中B4C的面积，使得该涂层中B和C的含量容易控制，并且该方法工艺简单，易于实施。
[0021]本发明提供的高温低摩擦系数硬质涂层(Mo-B-C-N四元硬质涂层)，其中C、B、Mo、N元素的原子百分比分别为2?12%、0.5?8%、55?42%、44?38%。该涂层克服了现有硬质镀层性能的不足，兼备硬度高、耐磨和高温低摩擦系数的特点，使其在高速切削工具上具有良好的推广应用前景。
[0022]进一步的，通过实验发现，本发明制得的高温低摩擦系数硬质涂层(Mo-B-C-N四元硬质涂层)的硬度由氮化钼涂层的23GPa提高到30GPa以上，室温下摩擦系数降低至0.23，600°C摩擦系数可降低至0.15，磨损率不到氮化钼的1/20。
【附图说明】
[0023]图1为本发明使用的由金属Mo与B4C构成的复合靶的结构示意图；
[0024]图2为本发明制得的高温低摩擦系数硬质涂层的XRD图；
[0025]图3为本发明制得的高温低摩擦系数硬质涂层的硬度与C、B含量的关系图；
[0026]图4为常温下本发明制得的高温低摩擦系数硬质涂层的平均摩擦系数与C、B含量的关系图。
[0027]图5为常温下本发明制得的高温低摩擦系数硬质涂层的磨损率与C、B含量的关系图。
[0028]图6为600°C下本发明制得的高温低摩擦系数硬质涂层的平均摩擦系数与C、B含量的关系图。
[0029]图7为600°C下本发明制得的高温低摩擦系数硬质涂层的磨损率与C、B含量的关系图。
【具体实施方式】
[0030]本发明制备高温低摩擦系数硬质涂层(Mo-B-C-N四元涂层)，采用钼靶(纯度99.99%)和B4C靶(纯度99.9%)制成复合靶，通过直流磁控溅射，沉积在金属、硬质合金或陶瓷的基底上，并用氮离子束辅助轰击得到。制得的高温低摩擦系数硬质涂层(Mo-B-C-N四元涂层)的厚度为1?5μπι，硬度为27?31GPa，常温下的摩擦系数最低为0.23，高温下(600°C)的摩擦系数最低为0.15。其中C元素的原子百分比为2?12%，B元素的原子百分比为0.5?8%，Mo元素的原子百分比为55?42%，N元素的原子百分比为44?38%。
[0031]结合不同温度下摩擦系数和耐磨性，得出更优范围为C元素的原子百分比3?10%，B兀素的原子百分比1.5?6%。
[0032]本发明提供的高温低摩擦系数硬质涂层的制备方法的具体步骤为:
[0033]1)以金属(钢、铸铁或硬质合金)或陶瓷为基底，去油、去氧化物、热风吹干后固定在真空室中的可旋转工件架上；
[0034]2)将高纯Mo和一定数量的B4C片组成的复合靶安装在磁控溅射源上；其中复合靶中的金属Mo与B4C的面积比为20:1?2:1，Mo的纯度为99.99%、B4C的纯度为99.9%，复合靶与基底间的距离为80?120mm;
[0035]3)随后将真空室内真空度抽到<5X10—4Pa，通入流量为20sCCm的Ar，当真空室气压为0.3Pa时，预溅射M0/B4C复合靶5min，预溅射的功率为150W ；
[0036]4)随后离子源通入6sCCm氩气，用氩离子束溅射清洗基底表面至少lOmin，离子束离子能量800?1000eV，束流密度10?20yA/cm2;
[0037]5)随后通入4?lOsccm氩气和4?40sccm氮气，形成混合气氛，氩气与氮气间的流量比为1:1?1:10，工作气压为0.1?2Pa。
[0038]6)真空室内在氩氮混合气氛中，以100?300W的功率溅射M0/B4C复合靶120?240min，并以能量500eV?2000eV、束流密度5?ΙΟμΑ/cm2氮离子束对沉积中的涂层进行辅助轰击，制得高温低摩擦系数硬质涂层(Mo-B-C-N四元硬质涂层)。
[0039]以下结合附图和实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
[0040]实施例1