专利名称：一种提高硬质涂层与基体界面结合强度的方法
技术领域：
本发明涉及化工技术领域，特别是涉及一种提高刀具、模具及机械零部件等摩擦副零部件表面硬质涂层与基体界面结合强度的方法。
背景技术：
固态涂层材料与基体的结合强度是关系涂层能否发挥其各种功能作用的关键因素，如何提高膜基结合强度一直是功能涂层(薄膜)材料领域的热点研究课题。通常的涂层与基体所组成的复合体系均是一种异质体系，涂层与基体在组成、结构及物理、化学性能上的差异必然导致界面处的不匹配和界面应力的产生，涂层中也会在制备过程中残留足够大的内应力。尤其是硬质涂层，其内应力难以在涂层内以变形方式松弛，从而在涂层内贮存大量弹性能，并作用于涂层与基体的界面上，带来膜基结合强度上的问题，最终引发涂层的脱落而导致体系的失效。目前降低界面应力提高涂层/基体界面结合强度的主要技术手段包括1)在界面间设置中间层、过度层、梯度层或多层膜；幻通过离子注入或热扩散在界面间形成混合区； 3)基体表面预处理，如表面强化预处理、表面离子轰击或微粒子喷砂粗化预处理等，增强膜基界面机械咬合及体系承载能力。上述方法或单独使用或组合使用，已成为实际应用中最基本的方法。但是这些方法在提高界面结合强度方面仍有局限，对一些内部残余应力极高的超硬涂层仍不能满足其要求，特别是厚膜化要求。如立方氮化硼涂层由于内部存在极高的残余应力，当涂层厚度超过大约IOOnm时，就会爆裂破碎甚至完全脱落，致使立方氮化硼涂层至今都没有实现商业化应用。另一种比较常用的方法是涂层沉积后退火。这通常伴随一系列相变过程，使涂层性质发生改变，特别是大幅度降低涂层原有硬度，还会引起工件的变形。而且退火温度往往较高才有作用，这对于回火温度低的基体材料来说是不适用的。低温或超低温处理是一种成熟的金属材料处理技术，是一种改善金属材料力学性能的有效途径。但是，目前还没有将低温或超低温处理应用于提高涂层与基体界面结合强度的研究报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种提高硬质涂层(薄膜)与基体界面结合强度的方法，使之可以解决通过高温退火消除硬质涂层/基体内部及界面应力时涂层及基体在高温下性能劣化的问题，在较低温度下提高涂层/基体界面结合强度的同时，维持或提高涂层/基体复合体系的综合力学性能或机械性能。本发明的技术思路是，利用低温或超低温处理对复合体系内部及涂层与基体界面间应力场的影响，对其进行调整，使涂层与基体的界面应力得到完全或一定程度的松弛，从而提高复合体系的界面结合强度；同时利用低温或超低温条件下界面显微结构的变化达到提高界面结合强度的目的；另外，还利用低温或超低温处理在提高界面结合强度的同时，改善硬质涂层及其涂层/基体的力学或机械特性，包括硬度、强度、耐磨性等。
本发明一种提高硬质涂层与基体界面结合强度的方法，将硬质涂层/基体复合体系于-50°C -273°C的低温或超低温下处理5 48小时；
所述的硬质涂层是指金属涂层、合金涂层或无机非金属涂层，包括氮化物涂层、金刚石涂层、非晶C涂层或碳化物涂层。氮化物涂层是指TiN、CrN, TiAlN, TiSiN, CrAlTiN 或 BN 等； 非晶C涂层是指类金刚石、非晶金刚石等；
碳化物涂层是指TiC或WC等。为了达到提高界面结合强度的最优效果，结合采用低温或超低温处理前后的低温退火处理效果更好。
图1是TiN涂层/YW2硬质合金基体复合体系超低温处理前后的压痕形貌。图2是超低温处理前后TiN涂层/YW2硬质合金基体复合体系的维氏硬度，灰色和红色分别表示处理前后的硬度值。图3是TiN涂层/不锈钢基体复合体系超低温处理前后的划痕形貌。图4是超低温处理前后TiN涂层/不锈钢基体复合体系的维氏硬度，灰色和红色分别表示处理前后的硬度值。图5是DLC涂层/YW2硬质合金基体复合体系低温处理前后的压痕形貌。图6是DLC涂层/YW2硬质合金基体复合体系低温处理前后的纳米压痕试验中的载荷-深度曲线。图7是TiN涂层/YW2硬质合金基体复合体系超低温处理前后的大载荷条件下的压痕形貌
本发明的有益效果是应用本发明方法，可使涂层/基体界面结合强度显著提高，一般可提高109Γ50%、而又避免了采用传统的高温退火方法时，基体或涂层本身性能的劣化；同时，低温或超低温处理成本低，适用的涂层/基体复合体系种类广泛。
具体实施例方式为了对本发明及其效果加以详细说明，分别采用电弧离子镀膜技术和磁控溅射沉积技术在抛光的不锈钢、硬质合金钢基体上沉积了一定厚度的TiN、CrN、TiAlN、CrAlTiN、类金刚石及TiC涂层，沉积前将基体分别在乙醇和去离子水中进行了各10分钟的超声波清洗并冷风吹干后放入真空室。沉积后采用了液氮或液氦直接浸泡深冷的液体法，以及采用液氮为制冷剂的气体法，分别在-196°C、-273°C及_50°C _150°C温度条件下将涂层/基体复合体系通过一定时间的浸泡处理后直接暴露在空气中使之恢复到室温，并根据具体情况在低温或超低温处理前后追加或不追加低温退火处理。而后用洛氏压痕法和划痕法分别定性和定量检测涂层的界面结合强度，以判定低温或超低温处理对改善涂层界面结合强度的效果。同时采用显微硬度仪或纳米压痕仪对涂层进行硬度检测，以判定超低温处理对涂层及其复合体系硬度、弹性模量等力学特性的改善作用。采用洛氏压痕法通过对压痕及裂纹形貌的分析也可对复合体系的断裂韧性进行定性分析。以下，通过实际的使用例子对本发明加以详细说明。
实施例1
采用电弧离子镀膜技术在YW2硬质合金基体上沉积了 3 μ m厚的TiN涂层，经30小时液氮中-196°C超低温处理后，对其进行了洛氏压痕试验，压痕形貌如图1所示a)、b)分别为超低温处理前后的洛氏压痕形貌金像显微镜照片，从中可以看出，超低温处理后压痕周向的涂层块状脱落状况明显缓解，表明TiN涂层的附着力水平明显改善。同时划痕试验定量检测表明，处理前的附着力为55N，处理后上升为83N，附着力提高了 51%。图2是同样条件下超低温处理前后涂层硬质合金的维氏硬度，灰色和红色分别表示处理前后的硬度值，从图中可以看出，超低温处理后，涂层或涂层硬质合金的硬度明显提高。由于采用的是显微硬度计的检测结果，基本上可以肯定，测得的硬度值主要反应了涂层的硬度变化。也就是说，超低温处理有利于TiN涂层硬度的提高。实施例2
采用电弧离子镀膜技术在抛光的304不锈钢基体上沉积了 3 μ m厚的TiN涂层，经30小时液氮中-196°C超低温处理后，对其进行了划痕试验，划痕形貌如图3所示a)、b)分别为超低温处理前后的划痕形貌金像显微镜照片，从中可以看出，超低温处理前划痕边缘及中部TiN脱落均较严重，而超低温处理后涂层块状脱落状况明显缓解，整过划痕到最后在划痕边缘及中部涂层均没有完全脱落，而没有处理的基本上已完全脱落。这表明超低温处理后TiN涂层/不锈钢基体的界面结合强度得到了明显改善。同时划痕试验定量检测表明， 处理前的附着力为35N，处理后上升为52N，附着力提高了 49%。图4是超低温处理前后TiN涂层/不锈钢基体复合体系的维氏硬度，灰色和红色分别表示处理前后的硬度值，从图中可以看出，超低温处理后，TiN涂层或其与基体组成的复合体系的硬度明显提高。由于采用的是显微硬度计的检测结果，基本上可以肯定，测得的硬度值主要反应了涂层的硬度变化。也就是说，超低温处理有利于TiN涂层硬度的提高。实施例3
采用电弧离子镀膜技术在YW2硬质合金基体上沉积了 3 μ m厚的CrN涂层，经5小时液氦中-273°C超低温处理后，对其进行了划痕定量检测试验，试验结果表明经过超低温处理后CrN涂层的附着力水平明显改善，处理前的附着力为58N，处理后上升为72N，附着力提高了对％。实施例4
采用电弧离子镀膜技术在YW2硬质合金基体上沉积了 3 μ m厚的TiAlN涂层，经48小时液氮中-196°C超低温处理后，对其进行了划痕定量检测试验，试验结果表明经过超低温处理后TiAlN涂层的附着力水平明显改善，处理前的附着力为50N，处理后上升为72N，附着力提高了 44%。实施例5
采用磁控溅射镀膜技术在YW2硬质合金基体上沉积了 2 μ m厚的CrAlTiN涂层，经5小时液氮气体法-100°C低温处理后，对其进行了划痕定量检测试验，试验结果表明经过低温处理后CrAlTiN涂层的附着力水平明显改善，处理前的附着力为MN，处理后上升为60N，附着力提高了 11%。实施例6
采用磁控溅射技术在YW2硬质合金基体上沉积了 2 μ m厚的类金刚石(DLC)涂层，经5小时液氮气体法_50°C低温处理后，并辅以150°C条件下，2小时的退火处理后，对其进行洛氏压痕试验，为对比起见，对比件也进行了 150°C条件下2小时的退火处理。压痕形貌如图 5所示a)、b)分别为低温处理前后的洛氏压痕形貌金像显微镜照片，从中可以看出，无低温处理样件的涂层沿压痕周向有明显的块状脱落，而经过低温处理后压痕周向几乎看不见有涂层脱落，表明经过低温处理后的DLC涂层的附着力水平明显改善。
同时划痕试验定量检测表明，无低温处理的DLC涂层附着力为45N，低温处理后上升为 62N，附着力提高了 38%。纳米压痕试验结果如表1所示，表1为其硬度和弹性模量，结果表明经过低温处理后的DLC在硬度和弹性模量上分别增加了 4%和8%。表1 :DLC涂层/YW2硬质合金基体复合体系低温处理前后的纳米压痕试验中的显微硬度和弹性模量
权利要求
1.一种提高硬质涂层与基体界面结合强度的方法，其特征在于，将硬质涂层/基体复合体系于-50°C -273°C下处理5 48小时。
2.根据权利要求1所述的一种提高硬质涂层与基体界面结合强度的方法，其特征在于，所述的硬质涂层是指金属涂层、合金涂层或无机非金属涂层，包括氮化物涂层、金刚石涂层、非晶C涂层或碳化物涂层氮化物涂层是指 TiN、CrN, TiAlN, TiSiN, CrAlTiN 或 BN ； 非晶C涂层是指类金刚石或非晶金刚石； 碳化物涂层是指TiC或WC。
全文摘要
本发明公开了一种提高硬质涂层(薄膜)与基体界面结合强度的方法，该方法将硬质涂层/基体复合体系于-50℃～-273℃的低温或超低温下处理5～48小时实现。硬质涂层包括TiN、CrN、TiAlN、TiSiN、CrAlTiN、BN等氮化物涂层、金刚石、类金刚石等C涂层及TiC、WC等碳化物涂层。应用本发明方法，可使涂层/基体界面结合强度提高10%~50%，还可避免采用传统的高温退火方法时，基体或涂层本身性能的劣化；同时，低温或超低温处理成本低，适用的涂层/基体复合体系种类广泛。
文档编号C23C4/18GK102517539SQ20121000674
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者刘晓魁, 张碧云, 林华, 聂朝胤, 谢红梅, 贾晓芳 申请人:西南大学