一种高含碳量和高耐磨的硬质MoCN涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂层技术领域，尤其是一种高含碳量和高耐磨的硬质MoCN涂层及其制备方法。

背景技术

零部件的摩擦磨损贯穿了机械设备服役的整个过程，是导致机械零部件断裂失效的主要因素之一。

通过在金属表面沉积涂层的方法可以显著提高成形部件的耐磨性。过渡金属氮化物涂层由于具有较高的硬度、良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗热稳定性，在航空航天工业、核电工业和石油工业等领域得到了广泛的应用。

其中，MoN硬质涂层被认为是一种具有优良的抗磨损性能的涂层，而被作为刀具涂层的候选材料，但较粗糙的微结构，以及较低的硬度和防氧化温度阻碍了MoN涂层的发展应用。

所以，研究者尝试通过在MoN涂层中引入C、Si和B等元素，使N、C、Si和B等相互结合，形成以超硬度和宽带隙为主要性能的碳氮化合物(CN)及其相关硅碳氮化合物(SiCN)和硼碳氮(BCN)复合涂层材料，从而提高MoN涂层的耐磨性和防氧化性能。

随着对复合涂层的不断探索，与MoN涂层相比，MoCN复合涂层具有更精细的微结构、更小的摩擦系数和更好的耐磨性。C元素的掺杂可以有效地提高MoN涂层的硬度和耐磨性能。而且，随着涂层中碳元素的增加，在摩擦过程中形成的非晶石墨相具有良好的润滑作用，能有效的降低了材料的摩擦磨损。因此，本发明提供一种高含碳量和高耐磨的硬质MoCN涂层及其制备方法，对金属材料表面防护具有重要的意义。

发明内容

本发明提供一种高含碳量和高耐磨的硬质MoCN涂层及其制备方法，本发明采用中频磁控溅射的方法制备MoCN涂层，该涂层除具有高硬度和高耐磨性能外，还具有良好的附着力，能够很好地提高零部件的综合性能。

本发明的技术方案为：一种高含碳量和高耐磨的硬质MoCN涂层，所述的MoCN涂层包括基底、Mo过渡层、MoCN层，所述的Mo过渡层沉积在基底上，且在所述的Mo过渡层上还沉积有MoCN层。

作为优选的，所述的MoCN涂层的厚度为2.25～2.73μm，其中，所述的Mo过渡层的厚度为300～500nm。

作为优选的，所述的MoCN层为非晶态碳相和MoN相，而且其晶粒尺寸小于11.6nm。

作为优选的，本发明还提供一种高含碳量和高耐磨的硬质MoCN涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1)、基体处理

将基材表面进行打磨抛光，将抛光后的基材置于乙醇中，用超声波清洗，然后再将基材放置在氩气中用霍尔离子进行溅射处理；

S2)、Mo过渡层的沉积

将基材在氩气中用霍尔离子进行溅射处理之后，关闭霍尔离子源，维持真空度在0.5～1.0Pa，氩气的流量为20～60sccm，在氩气中，调节基材直流偏压为80～150V，脉冲偏压为400～600V，占空比为20～40％，采用Mo靶，利用第一弧源进行Mo过渡层的沉积，靶电流为0～3A，沉积时间0～10min；

S3)、MoCN层沉积

向真空室中通入氮气和乙炔，维持真空度在0.5～1.0Pa，其中，氩气流量为20～60sccm，氮气流量为20～60sccm，乙炔流量为0～10sccm，在氩气、氮气和乙炔混合气体中，调节基材直流偏压为80～120V，脉冲偏压为400～500V，占空比为20～40％，采用纯Mo靶，利用中频磁控电源进行MoCN层的沉积，沉积电流为0～3A，沉积时间为5～230min，最终获得MoCN涂层。

作为优选的，步骤S1)中，所述的超声波清洗是指将所述的基材在无水乙醇中利用20～30kHz超声波进行清洗，清洗时间为5～15min，然后在复合多功能离子镀膜设备中进行辉光清洗。

作为优选的，步骤S1)中，在复合多功能离子镀膜设备中进行辉光清洗具体为：将基材放入多靶溅射设备真空室，抽真空至0.5×10

作为优选的，步骤S2)、S3)中，所述的Mo靶的纯度为99.99％，直径为100mm，厚度为40mm。

作为优选的，步骤S2)-S3)中，所述的沉积的过程中工件架的转速为4rpm。

作为优选的，步骤S3)所述的MoCN层重复沉积5-15次，沉积完成后自然冷却至室温。

本发明的有益效果为：

1、本发明的MoCN涂层形成了以超硬度和宽带隙为主要性能的碳氮化合物(CN)，得到高含碳量和高耐磨的复合涂层材料；

2、本发明过渡层沉积Mo层，相对于其他硬质涂层来说，Mo涂层相对较软，可以减小与基材的应力，提高涂层与基材的结合力，另外Mo过渡层是在偏压逐渐减小的条件下沉积获得的，可进一步减小涂层内应力，提高涂层与基材的结合力；

3、本发明是固定转架的转速，通过控制乙炔的流量来制备不同含碳量的MoCN涂层。

4、本发明所制备的MoCN涂层晶粒细小，MoCN层为非晶态碳相和MoN相，通过XRD图谱，利用谢乐公式计算晶粒尺寸小于11.6nm；

5、本发明的MoCN涂层是采用多弧电源和中频磁控电源共同制备的，既能降低多弧溅射颗粒的尺寸，提高靶材的利用率，又能够发挥多弧溅射结合力强和中频磁控溅射内应力小的优势；

6、本发明采用的复合多功能离子镀膜设备，与工业生产中的镀膜设备类似，并且操作简单，利于工业应用。

附图说明

图1为本发明实施例1-3制备的MoCN涂层、以及实施例4制备的MoN涂层的XRD图谱；

图2为本发明实施例3制备MoCN涂层的截面形貌图；

图3为本发明实施例3制备MoCN涂层的磨痕表面形貌图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

实施例1

本实施例提供一种高含碳量和高耐磨的硬质MoCN涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1)、将经过打磨、抛光处理的304不锈钢基体，用无水乙醇在超声波中清洗干净，烘干后检查基体表面是否干净，确定基体表面无污染后安装在真空室的转架上，关闭真空室的门，进行抽真空操作。气压达到1.0×10

S2)、辉光清洗结束后，关闭霍尔离子源，调节直流偏压为150V，脉冲偏压每隔5min降低200V，由800V降至600V，占空比为40％，开启第一弧源，沉积Mo过渡层，沉积10min。

S3)、Mo过渡层沉积完成之后，关闭第一弧源，向真空室中通入氮气和乙炔，气压维持在0.85.Pa，氩气流量为40sccm，氮气流量为40sccm，乙炔流量为3sccm，直流偏压为120V，脉冲偏压为450V，占空比20％，开启中频磁控溅射电源沉积MoCN层，沉积5min，沉积MoCN层重复9次。整个沉积过程转架的转速稳定在4rpm，制备结束后自然冷却，得到MoCN涂层，记为MoCN-1。

本实施例所得具有高硬度和高耐磨性的MoCN涂层，经过检测，MoCN涂层总厚度约为2.73μm，硬度为7.70GPa。

实施例2

本实施例提供一种高含碳量和高耐磨的硬质MoCN涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1)、将经过打磨、抛光处理的304不锈钢基体，用无水乙醇在超声波中清洗干净，烘干后检查基体表面是否干净，确定基体表面无污染后安装在真空室的转架上，关闭真空室的门，进行抽真空操作。气压达到1.0×10

S2)、辉光清洗结束后，关闭霍尔离子源，调节直流偏压为150V，脉冲偏压每隔5min降低200V，由800V降至600V，占空比为40％，开启第一弧源，沉积Mo过渡层，沉积10min。

S3)、Mo过渡层沉积完成之后，关闭第一弧源，向真空室中通入氮气和乙炔，气压维持在0.85.Pa，氩气流量为40sccm，氮气流量为40sccm，乙炔流量为6sccm，直流偏压为100V，脉冲偏压为400V，占空比20％，开启中频磁控溅射电源沉积MoCN层，沉积5min，沉积MoCN层重复11次。整个沉积过程转架的转速稳定在4rpm，制备结束后自然冷却，得到MoCN涂层，记为MoCN-2。

本实施例所得具有高硬度和高耐磨性的MoCN涂层，经过检测，MoCN涂层总厚度约为2.63μm，硬度为8.35GPa。

实施例3

本实施例提供一种高含碳量和高耐磨的硬质MoCN涂层的制备方法，包括以下步骤：

S1)、将经过打磨、抛光处理的304不锈钢基体，用无水乙醇在超声波中清洗干净，烘干后检查基体表面是否干净，确定基体表面无污染后安装在真空室的转架上，关闭真空室的门，进行抽真空操作。气压达到1.0×10

S2)、辉光清洗结束后，关闭霍尔离子源，调节直流偏压为150V，脉冲偏压每隔5min降低200V，由800V降至600V，占空比为40％，开启第一弧源，沉积Mo过渡层，沉积10min。

S3)、Mo过渡层沉积完成之后，关闭第一弧源，向真空室中通入氮气和乙炔，气压维持在0.85.Pa，氩气流量为40sccm，氮气流量为40sccm，乙炔流量为9sccm，直流偏压为80V，脉冲偏压为400V，占空比20％，开启中频磁控溅射电源沉积MoCN层，沉积230min，沉积MoCN层重复13次。整个沉积过程转架的转速稳定在4rpm，制备结束后自然冷却，得到MoCN涂层，记为MoCN-3。

本实施例所得具有高硬度和高耐磨性的MoCN-3涂层，经过检测，MoCN-3涂层总厚度约为2.37μm，硬度为10.24GPa。

由图2a和图2b可以看出MoCN涂层涂的柱状增长模式由不连续柱状向连续柱状晶体转变，形成了致密的微观结构，而且没有明显的缺陷。其中靠近基体的灰色层为Mo过渡层，之后的暗黑色为MoCN层；在相同摩擦条件下，所得MoCN涂层的磨痕形貌与基体磨痕形貌的对比图分别如图3a、图3b、图3c和图3d所示，经过计算，随着涂层含碳量的增加，MoCN涂层的磨损率比基体的磨损率降低了6倍，并且MoCN涂层的磨痕相对平滑，基体的磨痕形貌出现明显的划痕。

实施例4

本实施例提供一种高含碳量和高耐磨的硬质MoN涂层的制备方法，作为对比例，具体包括以下步骤：

S1)、将经过打磨、抛光处理的304不锈钢基材，用无水乙醇在超声波中清洗干净，烘干后检查基材表面是否干净，确定基材表面无污染后安装在真空室的转架上，关闭真空室的门，进行抽真空操作。气压达到1.0×10-3Pa以后，向真空室中通入氩气，维持气压在0.5Pa，氩气的流量为60sccm，同时调节基材直流偏压为180V，脉冲偏压800V，占空比80％，开启霍尔离子源，对基材进行15min辉光清洗；

S2)、辉光清洗结束后，关闭霍尔离子源，调节直流偏压为150V，脉冲偏压每隔5min降低200V，由800V降至600V，占空比为40％，开启第一弧源，沉积Mo过渡层，沉积10min。

S3)、Mo过渡层沉积完成之后，关闭第一弧源，向真空室中通入氮气，气压为0.85Pa，氩气流量为40sccm，氮气流量为40sccm，维持基材直流偏压为150V，稳定脉冲偏压为600V，占空比40％，开启中频磁控溅射电源沉积MoN层，沉积10min，沉积MoN层重复7次。整个沉积过程转架的转速稳定在4rpm，制备结束后自然冷却，得到MoN涂层。

本实施例所得具有高硬度和高耐磨性的MoN涂层，经过检测，MoN涂层总厚度约为2.25μm，硬度高达7.36GPa。

从图1中可以看出，涂层发生了择优生长，XRD图谱中只能观察到MoN的(111)、(200)和(220)衍射峰，且衍射峰的峰值逐渐减弱和拓宽。这与涂层由晶态向非晶态的转变有关。同时根据衍射峰的减弱和拓宽，也可以通过谢乐方程粗略计算出MoN涂层的晶粒尺寸的大小为11.6nm。采用该种方法制备出的MoCN涂层均为纳米复合涂层，涂层的晶粒小于11.6nm。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。