一种氮化钼基梯度多元纳米复合涂层及制备方法与流程

本发明涉及的是薄膜材料和表面科学技术领域，尤其涉及的是一种氮化钼基梯度多元纳米复合涂层及制备方法。

背景技术：

“中国制造2025”明确指出绿色制造和智能制造是我国制造业发展的两大主题。目前，我国制造业还存在精度低、能耗大等问题。因此，如何提高材料加工精度、降低能耗已经成为急需解决的问题甚至成为一些产业的瓶颈。例如刀具、钻头、模具等在加工难加工材料时如何提效率和精度，能源勘探在深层探测时如何提高钻头的使用寿命、加深探测深度，以及航空、航天等行业如何减少摩擦，提高服役时间等。

表面改性技术和表面涂层工艺应运而生并受到了越来越多的关注和重视。涂层刀具的出现，被认为是金属切削刀具技术发展史上的一次革命。硬质薄膜尤其是超硬薄膜倍受青睐。用PVD法将超硬薄膜材料镀于金属切削刀具表面，既适应现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，又符合绿色制造理念。表面镀有超硬薄膜的金属切削刀具既保持了其基体较高的强度，又能发挥其表面涂层“超硬、强韧、耐磨、自润滑”的优势，从而大大提高了金属切削刀具在现代加工过程中的耐用度和适应性。因此硬质薄膜材料可以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。

常见的硬质薄膜为钛基及铬基硬质薄膜(TiN,TiC,TiCN,TiAlN，CrN，CrAlN等)以及金刚石膜和类金刚石薄膜。它们的摩擦系数非常大，不仅影响切削时的精度，而且能耗高。多晶MoNx薄膜是近年来发展起来的一种新型薄膜,由于具有良好的性质(高熔点，高电导率，高的比表面积，好的化学稳定性),尤其是极好的耐磨性(耐磨率约是氮化钛的14倍)而倍受青睐。但是MoNx涂层还存在以下问题：1)抗氧化温度低(低于350℃)；2)与基体结合力差；3)在一种基体上优化的工艺很难复制到其他集体上，即普适性差。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种氮化钼基梯度多元纳米复合涂层及制备方法，以解决现有氮化钼基涂层抗氧化温度低、与基体结合力差、以及普适性差等技术问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种氮化钼基梯度多元纳米复合涂层，该涂层设于基体表面，由内向外依次由A-Mo膜、Mo_x1A_y1N_1-x1-y1膜、Mo_x2Al_y2C_Z2N_(1-x2-y2-z2)膜和Mo_x3Al_y3C_Z3Si_u3N_{(1-x3-y3-z3-u3)}膜组成的结构为A-Mo/Mo_x1A_y1N_1-x1-y1/Mo_x2Al_y2C_Z2N_(1-x2-y2-z2)/Mo_x3Al_y3C_Z3Si_u3N_{(1-x3-y3-z3-u3)}纳米复合涂层，其中，A为基体所含的主要元素，0<x,y,z<1。

进一步地，所述A-Mo膜厚度为5-15nm，Mo_x1A_y1N_1-x1-y1膜厚度为10-30nm，Mo_x3Al_y3C_Z3N_(1-x3-y3-z3)膜厚度为50-500nm，Mo_x4Al_y4C_Z4Si_u4N_{(1-x4-y4-z4-u4)}膜厚度为50-500nm，涂层总厚度为1-5μm。

本发明还提供了一种上述氮化钼基梯度多元纳米复合涂层的制备方法，具体采用磁控溅射仪进行制备，包括以下步骤：

(1)表面预处理：对基体表面进行抛光处理，获得衬底作为样品装入样品台；

(2)A-Mo层制备：将A-Mo靶安装在直流阴极上，真空氩气状态下进行溅射处理，制备A-Mo层；

(3)A-Mo-N层制备：通入氮气，继续溅射处理，制备A-Mo-N层；

(4)Mo_x2Al_y2C_Z2N_(1-x2-y2-z2)层制备：关闭A-Mo靶溅射电源，将样品旋转到Mo-Al-C靶下，继续溅射处理，制备Mo_x2Al_y2C_Z2N_(1-x2-y2-z2)层；

(5)Mo_x3Al_y3C_Z3Si_u3N_{(1-x3-y3-z3-u3)}层制备：关闭Mo-Al-C靶溅射电源，把样品旋转到Mo-Al-C-Si复合靶下，继续溅射处理，制备Mo_x3Al_y3C_Z3Si_u3N_{(1-x3-y3-z3-u3)}层。

(6)溅射完成，样品在真空条件下冷却，取出样品，获得所述氮化钼基梯度多元纳米多层涂层。

进一步地，制备过程中，靶材-样品表面的距离为40-80mm，沉积温度为400-450℃，混合气中氩气氮气体积比为4：1-1：4，工作气压为0.4Pa-1.0Pa。

进一步地，制备过程中的溅射处理条件满足：

制备A-Mo层时，溅射功率为40-60W，溅射时间为5-10min；

制备A-Mo-N层时，溅射功率为90-120W，溅射时间为15-30min；

制备Mo_x2Al_y2C_Z2N_(1-x2-y2-z2)层时，溅射功率为90-120W，溅射时间为10-20min；

制备Mo_x3Al_y3C_Z3Si_u3N_{(1-x3-y3-z3-u3)}层时，溅射功率为90-120W，溅射时间为80-100min。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明提供了一种氮化钼基梯度多元纳米复合涂层及制备方法，通过采用多梯度，多元纳米复合的手段来提高涂层的综合性能，制备获得的薄膜具有较高的硬度、膜基结合力和抗氧化性以及低的摩擦系数。

附图说明

图1为氮化钼基梯度多元纳米复合涂层的截面SEM图片；

图2为不锈刚(lCrl7Mo)片基体上沉积不同涂层后的纳米压痕硬度；

图3为不锈刚(lCrl7Mo)片基体上沉积不同涂层后的涂层与基体的结合强度；

图4为不锈刚(lCrl7Mo)片基体上沉积不同涂层后的涂层的摩擦系数；

图5为不锈刚(lCrl7Mo)片基体上沉积不同涂层后的涂层的抗氧化温度。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种以lCrl7Mo不锈钢片为基体，利用磁控溅射仪制备氮化钼基梯度多元纳米复合涂层的方法，包括以下步骤：

(1)表面预处理：将不锈刚(lCrl7Mo)片经抛光、清洗得到衬底后，装入样品台上；

(2)Cr-Mo层制备：将Cr-Mo靶安装在直流阴极上，调整靶材和样品的距离为40-80mm，开机，抽真空至8×10^-4Pa，加热基体至400-450℃(沉积温度)，通入氩气，调整工作气压至0.4-1Pa；打开溅射电源，调整溅射功率为40-60W，控制溅射时间5-10min，制备Cr-Mo层；

(3)Mo-Cr-N层制备：通入氮气，保持氩气氮气通入的体积比为4：1-1：4，工作气压为0.4-1Pa，调整溅射功率为90-120W，控制溅射时间15-30min，制备Mo-Cr-N层；

(4)Mo_x2Al_y2C_Z2N_(1-x2-y2-z2)层制备：关闭Cr-Mo靶溅射电源，把样品旋转到Mo-Al-C靶下，保持溅射功率为90-120W，时间控制在10-20min，制备Mo_x2Al_y2C_Z2N_(1-x2-y2-z2)层；

(5)Mo_x3Al_y3C_Z3Si_u3N_{(1-x3-y3-z3-u3)}层制备：关闭Mo-Al-C靶溅射电源，把样品旋转到Mo-Al-C-Si复合靶下，保持溅射功率为90-120W，时间控制在80-100min，制备Mo_x3Al_y3C_Z3Si_u3N_{(1-x3-y3-z3-u3)}层；

(6)溅射完成，关闭溅射、加热电源，停止通气，样品在分子泵抽真空的条件下降温至100℃以下，关分子泵，关电源，自然真空下冷却到室温后，取出样品。

利用金刚石刀直接切割样品，进行SEM观察，获得如图1所示的SEM截面图

片，可以看出涂层为由成分梯度变化的纳米复合结构，由衬底到表面主要由：

MoCr，Mo-Cr-N，Mo-Al-N，Mo-Al-C-N,Mo-Al-Si-C-N组成。

利用上述方法在不锈刚(lCrl7Mo)片上分别沉积Mo-Cr，Mo-Cr-N，Mo-Al-C-N、Mo-Al-C-Si-N及本发明所述的氮化钼基梯度多元纳米多层涂层，比较不同涂层的纳米压痕硬度(纳米压痕仪检测)和涂层与基体的结合强度，涂层的摩擦系数，抗氧化温度，结果如图2-5所示：图2表明不锈刚(lCrl7Mo)片基体上沉积不同涂层Mo-Cr，Mo-Cr-N，Mo-Al-N，Mo-Al-C-N，Mo-Al-C-Si-N膜层的硬度分别为7，19，23，31，37GPa；把这些涂层以硬度和成分都梯度增加的形式排列，制备出梯度多元纳米复合涂层Mo-Cr/Mo-Cr-N/Mo-Al-C-N/Mo-Al-C-Si-N的纳米压痕硬度为39GPa，高于上面所有涂层的硬度。图3表明不锈刚(lCrl7Mo)片基体上沉积不同涂层Mo-Cr，Mo-Cr-N，Mo-Al-N，Mo-Al-C-N，Mo-Al-C-Si-N膜层的膜基结合力分别为58，35,33,42，48；把这些涂层以成分梯度增加的形式排列，制备出梯度多元纳米复合涂层Mo-Cr/Mo-Cr-N/Mo-Al-C-N/Mo-Al-C-Si-N的膜基结合力74N，优于其他涂层的结合力。图4表明不锈刚(lCrl7Mo)片基体上沉积不同涂层Mo-Cr，Mo-Cr-N，Mo-Al-C-N膜层的摩擦系数分别为0.47，0.40,0.25,把这些涂层以成分梯度增加的形式排列，制备出梯度多元纳米复合涂层Mo-Cr/Mo-Cr-N/Mo-Al-C-N/Mo-Al-C-Si-N的摩擦系数为0.15，低于其他涂层的摩擦系数，说明该涂层具有更好的润滑性能。图5表明不锈刚(lCrl7Mo)片基体上沉积不同涂层Mo-Cr-N，Mo-Al-N，Mo-Al-C-N的抗氧化温度分别为510,650，780℃。把这些涂层以成分梯度增加的形式排列，制备出梯度多元纳米复合涂层Mo-Cr/Mo-Cr-N/Mo-Al-C-N/Mo-Al-C-Si-N的抗氧化温度为800℃，比其他涂层的抗氧化化温度高。综合图1-5的结果，可以看出利用本发明方法制备的氮化钼基梯度多元纳米多层涂层，硬度相比较其它涂层都有显著提高，且与基体的结合力强，抗氧化性高以及摩擦系数低。

以上为本发明一种详细的实施方式和具体的操作过程，是以本发明技术方案为前提下进行实施，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。