本發(fā)明屬于材料化學(xué)領(lǐng)域，涉及一種涂層，具體為一種zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

由于切削工具或者機械零件常常在一些極端的環(huán)境下服役，所以要求其表面具有較高的硬度、較低的摩擦系數(shù)、良好的耐腐蝕性以及良好的高溫穩(wěn)定性能。薄膜技術(shù)是改善材料表面性能的重要手段。然而，現(xiàn)代加工制造業(yè)的飛速發(fā)展使得傳統(tǒng)的二元氮化物難以滿足其要求，亟需開發(fā)一系列兼具諸如力學(xué)性能、高溫?zé)岱€(wěn)定性能和摩擦磨損性能等更高優(yōu)異性能的新型材料。zrn因具有高熔點、高硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性而受到研究者關(guān)注。近年來不少學(xué)者研究了zrcn、zragn、zrwn等體系的力學(xué)性能和摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)添加第三種元素后，力學(xué)性能及摩擦磨損性能均得到改善，但在高溫下的抗氧化溫度還比較低。因此，與當(dāng)代加工制造業(yè)所要求的寬溫域涂層相比，此類硬質(zhì)涂層的高溫抗氧化性能仍有不足。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

解決的技術(shù)問題：為了克服現(xiàn)有zrn系硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜及多層膜高溫抗氧化性能不理想的缺點，獲得一種兼具高硬度、優(yōu)異的摩擦磨損性能及高溫抗氧化性能，且可用于高速、干式切削的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)薄膜，本發(fā)明提供了一種zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜及其制備方法和應(yīng)用。

技術(shù)方案：一種zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜，所述薄膜分子式表示為(zr,mg)n，薄膜以zrn為過渡層，薄膜的厚度為2～3μm。

優(yōu)選的，所述薄膜的顯微硬度為20.937gpa～25.248gpa，顯微硬度隨著mg靶功率的增加先增大后下降，在mg靶功率為50w時，顯微硬度達到最大值25.248gpa。

優(yōu)選的，所述薄膜的彈性模量為239.049gpa～350.316gpa，彈性模量隨著mg靶功率的增加先增大后下降，在mg靶功率為30w時，彈性模量達到最大值350.316gpa。

優(yōu)選的，常溫條件下，隨著mg靶功率的增加，所述薄膜的摩擦系數(shù)先減小后增大，磨損率逐漸減小。

優(yōu)選的，mg靶功率為50w時，干切削實驗中溫度從室溫升高至700℃的條件下，所述涂層的摩擦系數(shù)隨著溫度的升高先增大后減小，700℃時達到最低值，磨損率始終增大。

以上任一所述zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，所述方法為采用zr靶和mg靶為原材料，以氬氣為起弧，氮氣為反應(yīng)氣體，氬氮氣體流量比為10sccm:2sccm，真空度低于6.0×10-4pa時濺射，在室溫下采用雙靶共焦射頻反應(yīng)磁控濺射法濺射在基體上制備得到。

優(yōu)選的，所述方法包含以下步驟：

(1)將基體表面進行鏡面拋光處理，即分別采用丙酮、無水乙醇超聲清洗，吹干后固定在濺射室可旋轉(zhuǎn)的基片臺上，關(guān)閉樣品擋板；

(2)將純度為99.9％的zr靶和mg靶分別固定在射頻陰極上；

(3)將濺射室的氣壓抽至6.0×10-4pa以下；

(4)通入純度均為99.999％的氬氣和氮氣，工作氣壓保持在0.3pa；

(5)調(diào)節(jié)zr靶濺射10分鐘以清洗靶材表面各種雜質(zhì)；

(6)調(diào)節(jié)zr靶，關(guān)閉mg靶，在基體上沉積200nm厚度的zrn作為過渡層；然后調(diào)節(jié)mg靶功率為0w～90w，濺射2小時后自然冷卻至室溫，最終得到zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜。

優(yōu)選的，所述基體為金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷。

以上任一所述zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜在刀具涂層材料中的應(yīng)用。

本發(fā)明的原理在于：過渡族金屬氮化物薄膜中的mg能夠在高溫環(huán)境下擴散至表層，與環(huán)境中的氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成具有保護作用的雙金屬氧化物(如mgtio3、mgzro4)，阻止氧元素滲入薄膜，減緩了薄膜的氧化速率，從而提升薄膜熱穩(wěn)定性能。本發(fā)明的目的是提供一種在寬溫域范圍內(nèi)具有高硬度、潤滑、耐磨損的薄膜材料。zrn陶瓷薄膜具有硬度高的特點，加入mg元素后，由于固溶強化，從而進一步提高硬度；在摩擦實驗過程中，由于磨痕與摩擦副之間的劇烈作用，產(chǎn)生大量的摩擦潛熱，使磨痕表層出現(xiàn)致密的氧化鎂保護層，從而降低了具有高摩擦系數(shù)的氧化鋯摩擦相的出現(xiàn)，最終導(dǎo)致薄膜體現(xiàn)出低摩擦系數(shù)與低磨損率。

有益效果：(1)本發(fā)明所述zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜的顯微結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，兼具了高硬度、優(yōu)異的摩擦磨損性能及高溫抗氧化性能；(2)本發(fā)明所述zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法具有工藝流程簡單，生產(chǎn)效率高的優(yōu)點；(3)本發(fā)明所述zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜能夠用于刀具涂層材料中，特別適用于高速、高溫極端服役條件，以及高性能、干式切削方式領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜的顯微硬度與mg靶功率的關(guān)系圖；

圖2是常溫條件下，干切削實驗中zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜平均摩擦系數(shù)和平均磨損率與mg靶功率的關(guān)系圖；

圖3是干切削實驗中，zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜平均摩擦系數(shù)和平均磨損率隨溫度變化圖；

圖4是納米結(jié)構(gòu)薄膜高溫摩擦后的xrd圖。

具體實施方式

以下實施例進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容，但不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。在不背離本發(fā)明精神和實質(zhì)的情況下，對本發(fā)明方法、步驟或條件所作的修改和替換，均屬于本發(fā)明的范圍。若未特別指明，實施例中所用的技術(shù)手段為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的常規(guī)手段。

實施例1

一種zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜，所述薄膜分子式表示為(zr,mg)n，薄膜以zrn為過渡層，薄膜的厚度為2～3μm。

所述薄膜的顯微硬度為24.573gpa，彈性模量為323.669gpa，干切削實驗下，摩擦系數(shù)為0.71，磨損率為21×10-8mm3·n-1mm-1。

以上任一所述zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，所述方法為采用zr靶和mg靶為原材料，以氬氣為起弧，氮氣為反應(yīng)氣體，氬氮氣體流量比為10sccm:2sccm，真空度低于6.0×10-4pa時濺射，在室溫下采用雙靶共焦射頻反應(yīng)磁控濺射法濺射在基體上制備得到。

所述方法包含以下步驟：

(1)將基體表面進行鏡面拋光處理，即分別采用丙酮、無水乙醇超聲清洗，吹干后固定在濺射室可旋轉(zhuǎn)的基片臺上，關(guān)閉樣品擋板；

(2)將純度為99.9％的zr靶和mg靶分別固定在射頻陰極上；

(3)將濺射室的氣壓抽至6.0×10-4pa以下；

(4)通入純度均為99.999％的氬氣和氮氣，工作氣壓保持在0.3pa；

(5)調(diào)節(jié)zr靶濺射10分鐘以清洗靶材表面各種雜質(zhì)；

(6)調(diào)節(jié)zr靶功率為200w，關(guān)閉mg靶，在基體上沉積200nm厚度的zrn作為過渡層；然后調(diào)節(jié)mg靶功率為0w，濺射2小時后自然冷卻至室溫，最終得到zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜。

所述基體為不銹鋼。

實施例2

與實施例1的區(qū)別在于，步驟(6)中沉積好過渡層后，調(diào)節(jié)mg靶功率為30w；此時薄膜硬度為24.812gpa，彈性模量為350.316gpa，干切削實驗下，摩擦系數(shù)為0.6819，磨損率為12×10-8mm3·n-1mm-1。

實施例3

與實施例1的區(qū)別在于，步驟(6)中沉積好過渡層后，調(diào)節(jié)mg靶功率為50w；此時薄膜硬度為25.248gpa，彈性模量為342.642gpa，干切削實驗下，摩擦系數(shù)為0.659，磨損率為8.2×10-8mm3·n-1mm-1。

實施例4

與實施例1的區(qū)別在于，步驟(6)中沉積好過渡層后，調(diào)節(jié)mg靶功率為70w；此時薄膜硬度為24.062gpa，彈性模量為299.1gpa，干切削實驗下，摩擦系數(shù)為0.7583，磨損率為4.7×10-8mm3·n-1mm-1。

實施例5

與實施例1的區(qū)別在于，步驟(6)中沉積好過渡層后，調(diào)節(jié)mg靶功率為90w；此時薄膜硬度為20.937gpa，彈性模量為239.049gpa，干切削實驗下，摩擦系數(shù)為0.8168，磨損率為4×10-8mm3·n-1mm-1。

實施例6

與實施例3相比，干切削實驗的溫度為25℃，對mg靶功率為50w的zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜進行摩擦實驗，摩擦系數(shù)為0.659，磨損率為8.2×10-8mm3·n-1mm-1。

實施例7

與實施例3相比，干切削實驗的溫度為200℃，對mg靶功率為50w的zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜進行摩擦實驗，摩擦系數(shù)為0.6863，磨損率為22×10-8mm3·n-1mm-1。

實施例8

與實施例3相比，干切削實驗的溫度為300℃，對mg靶功率為50w的zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜進行摩擦實驗，摩擦系數(shù)為0.7071，磨損率為44×10-8mm3·n-1mm-1。

實施例9

與實施例3相比，干切削實驗的溫度為500℃，對mg靶功率為50w的zrmgn納米結(jié)構(gòu)薄膜進行摩擦實驗，摩擦系數(shù)為0.6248，磨損率為60×10-8mm3·n-1mm-1。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種ZrMgN納米結(jié)構(gòu)薄膜及其制備方法和應(yīng)用，所述薄膜分子式表示為(Zr,Mg)N，薄膜以ZrN為過渡層，薄膜的厚度為2～3μm。本發(fā)明所述ZrMgN納米結(jié)構(gòu)薄膜的顯微結(jié)構(gòu)為面心立方結(jié)構(gòu)，兼具了高硬度以及優(yōu)異的摩擦磨損性能；本發(fā)明所述ZrMgN納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法具有工藝流程簡單，生產(chǎn)效率高的優(yōu)點；本發(fā)明所述ZrMgN納米結(jié)構(gòu)薄膜能夠用于刀具涂層材料中，特別適用于高速、高溫極端服役條件，以及高性能、干式切削方式領(lǐng)域。

技術(shù)研發(fā)人員：喻利花;許俊華;鞠洪博

受保護的技術(shù)使用者：江蘇科技大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2017.11.03

技術(shù)公布日：2018.03.27