一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層及制備方法
【專利摘要】本發明公開一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層及制備方法。所述具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層是采用多靶磁控濺射儀，由TiSiC復合靶材在依次經拋光、超聲波清洗、離子清洗后的基體上進行磁控濺射反應沉積而形成的。所述TiSiC復合靶材中，按原子比計算，Ti為84%，Si和C的總原子量為16%。該TiSiCN納米復合涂層的硬度為36.1-46.0GPa，與GCr15鋼球的摩擦系數為0.30-0.38，可用在干式、高速切削加工刀具以及在摩擦磨損條件服役的部件表面，從而提高刀具及部件表面性能和使用壽命。其制備方法具有工藝簡單、沉積速度快、成本低、結合強度高等優點。
【專利說明】一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層及 制備方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種新型硬質保護涂層，特別涉及一種具有超高硬度、低摩擦系數的 的TiSiCN納米復合涂層及其制備方法，利用C摻雜TiSiN納米復合膜涂層進行進一步強化 是本發明的特點，同時由于C元素的摻雜使涂層具有較低的摩擦系數。

【背景技術】
[0002] 隨著社會的進步和科技的發展，材料表面性能要求越來越高，高硬度、耐磨、耐腐 蝕性，耐高溫性能等種種指標是衡量當今刀具性能的重要指標，為滿足越來越高的工程需 要，在材料表面涂覆一層硬質涂層是提高材料表面性能的一種經濟實用的有效途徑，硬質 涂層作為機械功能膜的一個重要分支，在機械加工工具中應用很廣，特別是在金屬切削中 占了主導地位。硬質涂層能改善材料的表面性能，減少與工件的摩擦和磨損,有效的提高材 料表面硬度、韌性、耐磨性和高溫穩定性，大幅度提高涂層產品的使用壽命。它的發展適應 了現代制造業對金屬切削刀具的高技術要求，引起了刀具材料和性能的巨變，可被廣泛應 用于機械制造、汽車工業、紡織工業、地質鉆探、模具工業、航空航天等領域。
[0003] 多年來，TiSiN納米復合膜涂層由于具有高的硬度、耐磨性、耐蝕性、較高的抗氧 化性能等優點被廣泛應用于保護性硬質涂層材料。然而，隨著目前切削技術逐漸向高速切 削和干式切削方向發展，對涂層材料的硬度、抗氧化性能、熱穩定性等性能提出了更高的要 求。傳統的TiSiN復合涂層已逐漸不能滿足現代切削技術的要求，因此迫切需要開發新型 的保護性涂層材料。隨著納米科學與技術的發展，納米復合涂層的進一步研究成為硬質涂 層材料的重要發展方向。所謂納米復合膜涂層是一種典型的用納米結構進行強化的超硬涂 層，該涂層是由界面相包裹基體相形成的三維網狀結構。其致硬機理與其界面相包裹著納 米晶的復合結構有關，理想的TiSiN納米復合膜涂層由納米尺寸的TiN晶粒和Si 3N4非晶相 組合而成。整個膜層以TiN等軸納米晶為主體，Si3N 4作為界面相包裹在TiN納米晶四周。 由于TiN納米晶內不含位錯，難以變形，產生于低強度的Si3N 4界面相中的微裂紋則由于受 到TiN納米晶的阻擋而難以擴展，使得納米復合膜的硬度獲得提高。因此，納米復合涂層是 新型保護型硬質涂層的重要發展方向。
[0004] 通過查文獻得知，TiSiCN納米復合膜涂層目前已經通過多種方法成功制得，取得 不少有益的成果，如等離子體增強化學氣相沉積TiSiCN納米復合膜等。通過查詢，檢索到 如下有關制備TiSiCN納米復合膜涂層的中國專利： 申請號為201110047212. 1的專利涉及了一種中頻磁控濺射技術制備TiSiCN納米復 合潤滑薄膜的方法。本發明利用中頻磁控濺射技術，以CH4和N2為反應氣體濺射TiSi復 合靶，通過調節復合靶中Ti和Si原子比、CH4和N2氣體比例、脈沖偏壓制備TiSiCN納米 復合潤滑涂層。本發明解決了單一 TiC、TiN和DLC薄膜摩擦學性能的局限性，克服了 CVD 法制備TiSiCN涂層殘余氣體毒性大的難題。制備的涂層具有較高的硬度，低的摩擦系數和 良好的抗磨性，適用于軸承、小型轉軸和空間運動部件等機械零部件表面的自潤滑耐磨薄 膜。一種TiSiN+ZrSiN復合納米涂層刀具及其制備方法，屬于機械切削加工領域，采用多弧 離子鍍+中頻磁控濺射的方法制備，其結構為多層結構，刀具表面為ZrSiN層，ZrSiN層與 TiSiN層之間有TiZrSiN過渡層，TiSiN層與基體間有Ti過渡層，其中TiSiN和ZrSiN層中 Si含量的原子百分比為6?10%，該專利中將TiSiN涂層高硬性及ZrSiN涂層低摩擦系數 良好結合，使刀具不僅具有高硬度，還有良好的摩擦磨損性能和優異的抗高溫氧化性，切削 過程中可減少粘結，減少刀具磨損，提1?刀具壽命。
[0005] 申請號為200880018340.的專利涉及了一種表面被覆切削工具包括基材和在該 基材上形成的涂膜，其特征在于所述涂膜包括復合超多層膜，所述復合超多層膜是將一個 或多個第一超多層膜和一個或多個第二超多層膜交替堆疊而獲得的，上述第一超多層膜是 通過將一個或多個A1層和一個或多個B層交替堆疊而形成的，上述第二超多層膜是通過將 一個或多個A2層和一個或多個C層交替堆疊而形成的，上述A1層和上述A2層各自由TiN、 TiCN、TiAlN和TiAlCN中的任意一種構成，上述B層由TiSiN或TiSiCN構成，以及上述C層 由AlCrN或AlCrCN構成。
[0006] 申請號為201010510348. 7的專利涉及了一種硬質涂層，該硬質涂層包括一納米 復合層，該納米復合層包括若干TiN層和若干SiCN層，所述TiN層和SiCN層交替排布。本 發明還提供一種具有該硬質涂層的被覆件以及該被覆件的制備方法。本發明的硬質涂層硬 度高，具有較好的耐磨性能和高溫抗氧化性能。
[0007] 申請號為201010192207. 5的專利涉及了一種CrTiAlSiN納米復合涂層、沉積有該 涂層的刀具及其制備方法。該復合涂層包括粘結層、支撐層和主耐磨層，粘結層為Cr，支撐 層為CrN，主耐磨層是由CrSiN層與TiAlSiN層交替構成的CrSiN/TiAlSiN納米多層復合涂 層，或由納米晶CrTiAIN鑲嵌于非晶Si3N4的nc-CrTiAlN/a-Si 3N4納米晶復合涂層。將上 述粘結層沉積在刀具基體上，再沉積支撐層和主耐磨層，即得到沉積有該涂層的刀具。本發 明所得CrTiAlSiN納米復合涂層具有硬度高、摩擦系數低、附著力強的優點，沉積有該涂層 的刀具具有高的表面硬度、較強的膜-基附著力、良好的耐磨性能和耐高溫性能。
[0008] 申請號為96110195. 4的專利涉及了一種涂覆有單層或多層耐高溫材料層（其中 一層由單相k-Al203構成）的物體，其特征在于晶體在涂層物體表面具有優先在（210)方向 生長的顯微結構。根據本發明的涂層刀具在加工球軸承鋼時表現出增強的耐磨損性能。 [0009] 然而，上述現有的涂層仍存在著硬度、耐摩擦性能以及沉積效率無法兼顧的問題， 具有硬度、抗高溫氧化性能、生產效率不能滿足高速切削和干式切削的性能要求等缺點。


【發明內容】

[0010] 本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種具有超高硬度、低摩擦系數 的TiSiCN納米復合涂層。即通過C摻雜使TiSiN納米復合涂層得到進一步強化的新思路。 其采用C摻雜使得涂層納米復合結構的界面相進一步合金化，增加了涂層中相之間的彈性 模量差，也使得涂層中交變應力場增強，同時涂層中的晶化界面相SiN與其包裹的納米晶 TiN呈共格外延生長，阻礙了 TiN納米晶粒沿晶界的滑移，抑制了 TiSiCN納米復合膜的微觀 變形，以達到全面提高硬度和彈性模量的效果，同時由于C元素的摻雜使涂層具有較低的 摩擦系數。該涂層可作為高速干式切削的刀具涂層和其它耐摩擦磨損領域的保護性涂層。 [0011] 本發明的另外一目的是提供上述的一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納 米復合涂層的制備方法，該制備方法具有生產效率高、能耗低、對設備要求較低等優點。
[0012] 本發明的技術方案 一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層是采用多靶磁控濺射儀，由 TiSiC復合靶材在基體上進行磁控濺射反應沉積而形成的，其厚度優選為2. 5-4. 0 μ m ; 所述基體為金屬、硬質合金、陶瓷或單晶Si。
[0013] 上述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的制備方法，具體包括 如下步驟： (1) 、清洗基體 首先將經拋光處理后的基體送入超聲波清洗機，依次在分析純的無水酒精和丙酮中利 用15?30kHz超聲波進行清洗5?lOmin ;然后進行離子清洗，即將基體裝進真空室，抽真 空到6 X 10_4Pa后通入Ar氣，維持真空度在2-4Pa，用中頻對基體進行為時30min的離子轟 擊（JGP-450型磁控濺射系統，中科院沈陽科學儀器研制中心有限公司），功率為80-100W ; (2) 、TiSiCN納米復合涂層的制備 將基體置入多靶磁控濺射儀并停留在TiSiC復合靶之前，通過磁控濺射反應沉積獲得 具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層； 所述的磁控濺射反應沉積過程的工藝控制參數為： 所述的TiSiC復合靶材中，按原子比計算，其中Ti為84%，Si和C的總原子量為16%， 按原子比計算，其中 Si :C 為 12% :4 %、2% :14 %、8 % :8%、4 %: 12 % 或 0 % :16 % ; TiSiC復合靶材的直徑為75_ ; Ar 氣流量：30_50sccm，N2 氣流量：4_10sccm ; 射頻濺射功率300W，時間2h ; 革巴基距3_7cm ; 總氣壓范圍0. 2-0. 4Pa ; 基體溫度為300°C。
[0014] 上述所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層中的晶化界面相 SiN與其包裹的納米晶TiN呈共格外延生長，涂層出現連續、結晶度良好的柱狀晶。
[0015] 上述所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，其硬度可達 36. 1-46. OGPa，與GCrl5鋼球的摩擦系數僅為0. 30-0. 38,可應用在干式、高速切削加工刀 具以及在摩擦磨損條件服役的部件表面，從而提高刀具及部件表面性能和使用壽命。
[0016] 本發明的有益技術效果 本發明的一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，根據TiSiN納米復 合膜的變形機制，當TiN晶粒尺寸足夠小時，尤其小于10nm時，位錯運動不再成為材料變形 的微觀機制，而材料變形主要取決于TiN納米晶粒沿晶界的滑移。本發明在TiSiN納米復 合膜中摻雜C元素，采用C摻雜使得涂層的界面相復雜化，增加了涂層中相之間的彈性模 量差，也使得涂層中交變應力場增強，同時涂層中的晶化界面相SiN與其包裹的納米晶TiN 呈共格外延生長，阻礙了 TiN納米晶粒沿晶界的滑移，因此抑制TiSiN納米復合膜的微觀變 形，使TiSiN納米復合膜進一步強化。同時由于C元素的摻雜使涂層具有較低的摩擦系數， 因此本發明的一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層可用作為高速、干式 切削的刀具涂層和其它耐摩擦磨損領域的保護性涂層。
[0017] 進一步，本發明的一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的制備 方法，其制備過程具有生產效率高、能耗低、對設備要求較低等優點，適于規模化生產。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1、實施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的選區電 子衍射圖； 圖2、實施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的透射電鏡 圖； 圖3a、實施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層中Si的XPS 圖譜； 圖3b、實施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層中C的XPS 圖譜； 圖3c、實施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層中Ti的XPS 圖譜； 圖3d、實施例2所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層中N的XPS 圖譜。

【具體實施方式】
[0019] 下面通過具體實施例并結合附圖對本發明作進一步的詳細說明，但并不限制本發 明。
[0020] 本發明所用的制備、表征和測量儀器： JGP-450型磁控濺射系統，中科院沈陽科學儀器研制中心有限公司； D8 Advance型X射線衍射儀，德國Bruker公司； NANO Indenter G200型納米壓痕儀，美國安捷倫科技公司； HSR-2M涂層摩擦磨損試驗機，蘭州中科凱華科技開發有限公司； Tecnai G2 20型高分辨透射電子顯微鏡，美國FEI公司； Quanta FEG450型掃描電子顯微鏡，美國FEI公司； Axis Ultra DLD型X射線光電子能譜儀，英國Kratos。
[0021] 實施例1 一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，是采用多靶磁控濺射儀，由 TiSiC復合靶材在基體上進行磁控濺射反應沉積而形成的； 所述的基體為單晶Si。
[0022] 上述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的制備方法，具體包括 如下步驟： (1)、清洗基體 首先將經拋光處理后的基體送入超聲波清洗機，依次在分析純的無水酒精和丙酮中利 用15?30kHz超聲波進行清洗5?lOmin ;然后進行離子清洗，即將基體裝進真空室，抽真 空到6 X 10_4Pa后通入Ar氣，維持真空度在2-4Pa，用中頻對基體進行為時30min的離子轟 擊，功率為80-100W ; (2)、TiSiCN納米復合涂層的制備 將基體置入多靶磁控濺射儀并停留在TiSiC復合靶之前，通過磁控濺射反應沉積獲得 具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層； 所述的磁控濺射反應沉積過程的工藝控制參數為： 所述的TiSiC復合靶材中，按原子比計算，其中Ti為84%，Si和C的總原子量為16%， 按原子比計算，其中Si :C為12% :4% ; TiSiC復合靶材的直徑為75mm ; Ar 氣流量：38sccm，N2 氣流量：5sccm ; 射頻濺射功率300W，時間2h ; 革巴基距5 cm ; 總氣壓范圍0. 4Pa ; 基體溫度為300°C。
[0023] 采用Quanta FEG450型掃描電子顯微鏡儀器，對上述所得的具有超高硬度、低摩擦 系數的TiSiCN納米復合涂層的厚度進行檢測，其厚度約為2. 5um ; 采用NANO Indenter G200型納米壓痕儀儀器，對上述所得的具有超高硬度、低摩擦系 數的TiSiCN納米復合涂層的硬度進行檢測，其硬度為36. lGPa ; 采用HSR-2M涂層摩擦磨損試驗機儀器對上述所得的具有超高硬度、低摩擦系數的 TiSiCN納米復合涂層與GCrl5鋼球的摩擦系數進行檢測，其與GCrl5鋼球的摩擦系數為 0· 38。
[0024] 實施例2 一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，是采用多靶磁控濺射儀，由 TiSiC復合靶材在基體上進行磁控濺射反應沉積而形成的； 所述的基體為單晶Si。
[0025] 上述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的制備方法，具體包括 如下步驟： (1) 、清洗基體 首先將單面經拋光處理后的基體送入超聲波清洗機，依次在分析純的無水酒精和丙酮 中利用15?30kHz超聲波進行清洗5?lOmin ;然后進行離子清洗，即將基體裝進真空室， 抽真空到6 X 10_4Pa后通入Ar氣，維持真空度在2-4Pa，用中頻對基體進行為時30min的離 子轟擊，功率為80-100W ; (2) 、TiSiCN納米復合涂層的制備 將基體置入多靶磁控濺射儀并停留在TiSiC復合靶之前，通過磁控濺射反應沉積獲得 具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層； 所述的磁控濺射反應沉積過程的工藝控制參數為： 所述的TiSiC復合靶材中，按原子比計算，其中Ti為84%，Si和C的總原子量為16%， 按原子比計算，其中Si :C為8% :8% ; TiSiC復合靶材的直徑為75mm ; Ar 氣流量：50sccm，N2 氣流量：10sccm ; 射頻濺射功率300W，時間2h ; 革巴基距5 cm ; 總氣壓范圍〇. 3Pa ; 基體溫度為300°C。
[0026] 上述所得具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層經檢測，其厚度約為 3. 2um，硬度為46. OGPa，與GCrl5鋼球的摩擦系數為0. 35。
[0027] 采用Tecnai G2 20型高分辨透射電子顯微鏡對上述所得的具有超高硬度、低摩擦 系數的TiSiCN納米復合涂層進行測定，所得的選區電子衍射圖如圖1所示，從圖1中可以 看出TiN (200)光環明亮，由此表明了薄膜中形成較好柱狀晶，TiN衍射峰（200)結晶度較 好； 采用Tecnai G2 20型高分辨透射電子顯微鏡對上述所得的具有超高硬度、低摩擦系數 的TiSiCN納米復合涂層進行測定，所得的透射電鏡圖如圖2所示，從圖2中可以看出薄膜 中存在界面相包裹晶體相的結構以及連續的條紋，由此表明了薄膜具有晶化界面相包裹納 米晶的納米復合結構，同時薄膜還有結晶度良好的柱狀晶； 采用Axis Ultra DLD型X射線光電子能譜儀對上述所得的具有超高硬度、低摩擦系數 的TiSiCN納米復合涂層進行測定，所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂 層中Si的XPS圖譜如圖3a所示，從圖3a中可以看出薄膜中Si2p價鍵為Si-N的結合形式， 由此表明了薄膜中含有SiN相； 采用Axis Ultra DLD型X射線光電子能譜儀對上述所得的具有超高硬度、低摩擦系數 的TiSiCN納米復合涂層進行測定，所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂 層中C的XPS圖譜如圖3b所示，從圖3b中可以看出Cls價鍵為C-C的結合形式，由此表明 了薄膜中含有C單質相； 采用Axis Ultra DLD型X射線光電子能譜儀對上述所得的具有超高硬度、低摩擦系數 的TiSiCN納米復合涂層進行測定，所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂 層中Ti的XPS圖譜如圖3c所示，從圖3c中可以看出Ti2p價鍵為TiN的結合形式，由此表 明了薄膜中含有TiN相； 采用Axis Ultra DLD型X射線光電子能譜儀對上述所得的具有超高硬度、低摩擦系數 的TiSiCN納米復合涂層進行測定，所得的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂 層中N的XPS圖譜如圖3d所示，從圖3d中可以看出Nls價鍵為TiN的結合形式，由此進一 步表明了薄膜中含有TiN相。
[0028] 實施例3 一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，是采用多靶磁控濺射儀，由 TiSiC復合靶材在基體上進行磁控濺射反應沉積而形成的； 所述的基體為單晶Si。
[0029] 上述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的制備方法，具體包括 如下步驟： (1)、清洗基體 首先將單面經拋光處理后的基體送入超聲波清洗機，依次在分析純的無水酒精和丙酮 中利用15?30kHz超聲波進行清洗5?lOmin ;然后進行離子清洗，即將基體裝進真空室， 抽真空到6 X 10_4Pa后通入Ar氣，維持真空度在2-4Pa，用中頻對基體進行為時30min的離 子轟擊，功率為80-100W ; (2)、TiSiCN納米復合涂層的制備 將基體置入多靶磁控濺射儀并停留在TiSiC復合靶之前，通過磁控濺射反應沉積獲得 具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層； 所述的磁控濺射反應沉積過程的工藝控制參數為： 所述的TiSiC復合靶材中，按原子比計算，其中Ti為84%，Si和C的總原子量為16%， 按原子比計算，其中Si :C為4%: 12% ; TiSiC復合靶材的直徑為75mm ; Ar 氣流量：30sccm，N2 氣流量：5sccm ; 射頻濺射功率300W，時間2h ; 革巴基距5 cm ; 總氣壓范圍0. 2Pa ; 基體溫度為300°C。
[0030] 經檢測，上述所得具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的厚度約為 3. 5um，硬度為41. 3GPa，與GCrl5鋼球的摩擦系數為0. 33。
[0031] 實施例4 一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，是采用多靶磁控濺射儀，由 TiSiC復合靶材在基體上進行磁控濺射反應沉積而形成的； 所述的基體為單晶Si。
[0032] 上述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的制備方法，具體包括 如下步驟： (1) 、清洗基體 首先將經單面拋光處理后的基體送入超聲波清洗機，依次在分析純的無水酒精和丙酮 中利用15?30kHz超聲波進行清洗5?lOmin ;然后進行離子清洗，即將基體裝進真空室， 抽真空到6 X 10_4Pa后通入Ar氣，維持真空度在2-4Pa，用中頻對基體進行為時30min的離 子轟擊，功率為80-100W ; (2) 、TiSiCN納米復合涂層的制備 將基體置入多靶磁控濺射儀并停留在TiSiC復合靶之前，通過磁控濺射反應沉積獲得 具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層； 所述的磁控濺射反應沉積過程的工藝控制參數為： 所述的TiSiC復合靶材中，按原子比計算，其中Ti為84%，Si和C的總原子量為16%， 按原子比計算，其中Si :C為2% :14% ; TiSiC復合靶材的直徑為75mm ; Ar 氣流量：32 seem, N2 氣流量：4sccm ; 射頻濺射功率300W，時間2h ; 革巴基距5 cm ; 總氣壓范圍〇. 3 Pa ; 基體溫度為300°C。
[0033] 經檢測，上述所得具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的厚度約為 4. Oum，硬度為39. 4GPa，與GCrl5鋼球的摩擦系數為0· 32。 實施例5 一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，是采用多靶磁控濺射儀，由 TiSiC復合靶材在基體上進行磁控濺射反應沉積而形成的； 所述的基體為單晶Si。
[0034] 上述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的制備方法，具體包括 如下步驟： (1) 、清洗基體 首先將經單面拋光處理后的基體送入超聲波清洗機，依次在分析純的無水酒精和丙酮 中利用15?30kHz超聲波進行清洗5?lOmin ;然后進行離子清洗，即將基體裝進真空室， 抽真空到6 X 10_4Pa后通入Ar氣，維持真空度在2-4Pa，用中頻對基體進行為時30min的離 子轟擊，功率為80-100W ; (2) 、TiSiCN納米復合涂層的制備 將基體置入多靶磁控濺射儀并停留在TiSiC復合靶之前，通過磁控濺射反應沉積獲得 具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層； 所述的磁控濺射反應沉積過程的工藝控制參數為： 所述的TiSiC復合靶材中，按原子比計算，其中Ti為84%，Si和C的總原子量為16%， 按原子比計算，其中Si :C為0% :16% ; TiSiC復合靶材的直徑為75mm ; Ar 氣流量：40sccm，N2 氣流量：8 seem ; 射頻濺射功率300W，時間2h ; 革巴基距5 cm ; 總氣壓范圍0. 4Pa ; 基體溫度為300°C。
[0035] 經檢測，上述所得具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的厚度約為 3. lum，硬度為38. 2GPa，與GCrl5鋼球的摩擦系數為0. 30。
[0036] 綜上所述，本發明的一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層 是由磁控濺射方法制備的，所得的TiSiCN納米復合涂層的厚度約為2. 5-4. Oum，硬度為 36. 1-46. OGPa，與GCrl5鋼球的摩擦系數為0. 30-0. 38,并且硬度在實施例2處達到最高 46. OGPa，同時在該實例處也具有較低的摩擦系數，為0. 35,所得的TiSiCN納米復合涂層在 實施例5處摩擦系數最低，僅為0. 3,由此表明，本發明所得的TiSiCN納米復合涂層具有超 高硬度、低摩擦系數。
[0037] 以上所述僅是本發明的優選實施案例，需要說明的是，對于該領域的一般技術人 員，在不脫離本發明方法的前提下，還可做出些許補充和改進，這些補充和改進也應視為本 發明的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，其特征在于所述具有超高 硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層是采用多靶磁控濺射儀，由TiSiC復合靶材在依 次經拋光、超聲波清洗、離子清洗后的基體上進行磁控濺射反應沉積而形成的； 所述的基體為金屬、硬質合金、陶瓷或單晶Si。
2. 如權利要求1所述的一種具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，其特 征在于所述的磁控濺射反應沉積，其過程的工藝控制如下： 采用TiSiC復合靶材中，按原子比計算，其中Ti為84%，Si和C的總原子量為16%，TiSiC 復合祀材的直徑為75mm ; Ar 氣流量：30_50sccm，N2 氣流量：4_10sccm ; 射頻濺射功率300W，時間2h ; 革巴基距3_7cm ; 總氣壓范圍0. 2-0. 4Pa ; 基體溫度為300°C。
3. 如權利要求2所述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，其特征在 于所述的TiSiC復合靶材中，按原子比計算，其中Si :C為12% :4%、8% :8%、4%: 12%、2% :14% 或 0% : 16%。
4. 如權利要求2所述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，其特征在 于所述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層厚度為2. 5-4. 0 μ m。
5. 如權利要求2所述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層，其特征在 于所述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層中的晶化界面相SiN與其包裹 的納米晶TiN呈共格外延生長，涂層出現連續、結晶度良好的柱狀晶。
6. 如權利要求1、2、3或4所述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的 制備方法，其特征在于具體包括如下步驟： (1) 、清洗基體 首先將經拋光處理后的基體送入超聲波清洗機，依次在分析純的無水酒精和丙酮中利 用15?30kHz超聲波進行清洗5?lOmin ; 然后進行離子清洗； 所述的離子清洗即將基體裝進真空室，抽真空到6Xl(T4Pa后通入Ar氣，維持真空度在 2-4Pa，用中頻對基體進行為時30min的離子轟擊，功率為80-100W ; (2) 、TiSiCN納米復合涂層的制備 將基體置入多靶磁控濺射儀并停留在TiSiC復合靶之前，通過磁控濺射反應沉積獲得 具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層； 上述的磁控濺射反應沉積過程的工藝控制如下： 所述的TiSiC復合靶材中，按原子比計算，其中Ti為84%，Si和C的總原子量為16%， TiSiC復合靶材的直徑為75_ ; Ar 氣流量：30_50sccm，N2 氣流量：4_10sccm ; 射頻濺射功率300W，時間2h ; 革巴基距3_7cm ; 總氣壓范圍0. 2-0. 4Pa ; 基體溫度為300°C。
7.如權利要求6所述的具有超高硬度、低摩擦系數的TiSiCN納米復合涂層的制備方 法，其特征在于步驟（2)中所述的TiSiC復合靶材中，按原子比計算，其中Si :C為12% :4%、 8% :8%、4%: 12%、2% :14% 或 0% :16%。
【文檔編號】C23C14/35GK104087898SQ201410341995
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】李偉, 薛增輝, 劉平, 馬鳳倉, 劉新寬, 陳小紅, 何代華 申請人:上海理工大學