本发明属于材料化学领域，涉及一种涂层，具体为一种zrmgn纳米结构薄膜及其制备方法和应用。
背景技术：
由于切削工具或者机械零件常常在一些极端的环境下服役，所以要求其表面具有较高的硬度、较低的摩擦系数、良好的耐腐蚀性以及良好的高温稳定性能。薄膜技术是改善材料表面性能的重要手段。然而，现代加工制造业的飞速发展使得传统的二元氮化物难以满足其要求，亟需开发一系列兼具诸如力学性能、高温热稳定性能和摩擦磨损性能等更高优异性能的新型材料。zrn因具有高熔点、高硬度、良好的化学稳定性而受到研究者关注。近年来不少学者研究了zrcn、zragn、zrwn等体系的力学性能和摩擦磨损性能，发现添加第三种元素后，力学性能及摩擦磨损性能均得到改善，但在高温下的抗氧化温度还比较低。因此，与当代加工制造业所要求的宽温域涂层相比，此类硬质涂层的高温抗氧化性能仍有不足。
技术实现要素：
解决的技术问题：为了克服现有zrn系硬质纳米结构复合薄膜及多层膜高温抗氧化性能不理想的缺点，获得一种兼具高硬度、优异的摩擦磨损性能及高温抗氧化性能，且可用于高速、干式切削的纳米结构硬质薄膜，本发明提供了一种zrmgn纳米结构薄膜及其制备方法和应用。
技术方案：一种zrmgn纳米结构薄膜，所述薄膜分子式表示为(zr,mg)n，薄膜以zrn为过渡层，薄膜的厚度为2～3μm。
优选的，所述薄膜的显微硬度为20.937gpa～25.248gpa，显微硬度随着mg靶功率的增加先增大后下降，在mg靶功率为50w时，显微硬度达到最大值25.248gpa。
优选的，所述薄膜的弹性模量为239.049gpa～350.316gpa，弹性模量随着mg靶功率的增加先增大后下降，在mg靶功率为30w时，弹性模量达到最大值350.316gpa。
优选的，常温条件下，随着mg靶功率的增加，所述薄膜的摩擦系数先减小后增大，磨损率逐渐减小。
优选的，mg靶功率为50w时，干切削实验中温度从室温升高至700℃的条件下，所述涂层的摩擦系数随着温度的升高先增大后减小，700℃时达到最低值，磨损率始终增大。
以上任一所述zrmgn纳米结构薄膜的制备方法，所述方法为采用zr靶和mg靶为原材料，以氩气为起弧，氮气为反应气体，氩氮气体流量比为10sccm:2sccm，真空度低于6.0×10-4pa时溅射，在室温下采用双靶共焦射频反应磁控溅射法溅射在基体上制备得到。
优选的，所述方法包含以下步骤：
(1)将基体表面进行镜面抛光处理，即分别采用丙酮、无水乙醇超声清洗，吹干后固定在溅射室可旋转的基片台上，关闭样品挡板；
(2)将纯度为99.9％的zr靶和mg靶分别固定在射频阴极上；
(3)将溅射室的气压抽至6.0×10-4pa以下；
(4)通入纯度均为99.999％的氩气和氮气，工作气压保持在0.3pa；
(5)调节zr靶溅射10分钟以清洗靶材表面各种杂质；
(6)调节zr靶，关闭mg靶，在基体上沉积200nm厚度的zrn作为过渡层；然后调节mg靶功率为0w～90w，溅射2小时后自然冷却至室温，最终得到zrmgn纳米结构薄膜。
优选的，所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。
以上任一所述zrmgn纳米结构薄膜在刀具涂层材料中的应用。
本发明的原理在于：过渡族金属氮化物薄膜中的mg能够在高温环境下扩散至表层，与环境中的氧发生化学反应，生成具有保护作用的双金属氧化物(如mgtio3、mgzro4)，阻止氧元素渗入薄膜，减缓了薄膜的氧化速率，从而提升薄膜热稳定性能。本发明的目的是提供一种在宽温域范围内具有高硬度、润滑、耐磨损的薄膜材料。zrn陶瓷薄膜具有硬度高的特点，加入mg元素后，由于固溶强化，从而进一步提高硬度；在摩擦实验过程中，由于磨痕与摩擦副之间的剧烈作用，产生大量的摩擦潜热，使磨痕表层出现致密的氧化镁保护层，从而降低了具有高摩擦系数的氧化锆摩擦相的出现，最终导致薄膜体现出低摩擦系数与低磨损率。
有益效果：(1)本发明所述zrmgn纳米结构薄膜的显微结构为面心立方结构，兼具了高硬度、优异的摩擦磨损性能及高温抗氧化性能；(2)本发明所述zrmgn纳米结构薄膜的制备方法具有工艺流程简单，生产效率高的优点；(3)本发明所述zrmgn纳米结构薄膜能够用于刀具涂层材料中，特别适用于高速、高温极端服役条件，以及高性能、干式切削方式领域。
附图说明
图1是zrmgn纳米结构薄膜的显微硬度与mg靶功率的关系图；
图2是常温条件下，干切削实验中zrmgn纳米结构薄膜平均摩擦系数和平均磨损率与mg靶功率的关系图；
图3是干切削实验中，zrmgn纳米结构薄膜平均摩擦系数和平均磨损率随温度变化图；
图4是纳米结构薄膜高温摩擦后的xrd图。
具体实施方式
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
一种zrmgn纳米结构薄膜，所述薄膜分子式表示为(zr,mg)n，薄膜以zrn为过渡层，薄膜的厚度为2～3μm。
所述薄膜的显微硬度为24.573gpa，弹性模量为323.669gpa，干切削实验下，摩擦系数为0.71，磨损率为21×10-8mm3·n-1mm-1。
以上任一所述zrmgn纳米结构薄膜的制备方法，所述方法为采用zr靶和mg靶为原材料，以氩气为起弧，氮气为反应气体，氩氮气体流量比为10sccm:2sccm，真空度低于6.0×10-4pa时溅射，在室温下采用双靶共焦射频反应磁控溅射法溅射在基体上制备得到。
所述方法包含以下步骤：
(1)将基体表面进行镜面抛光处理，即分别采用丙酮、无水乙醇超声清洗，吹干后固定在溅射室可旋转的基片台上，关闭样品挡板；
(2)将纯度为99.9％的zr靶和mg靶分别固定在射频阴极上；
(3)将溅射室的气压抽至6.0×10-4pa以下；
(4)通入纯度均为99.999％的氩气和氮气，工作气压保持在0.3pa；
(5)调节zr靶溅射10分钟以清洗靶材表面各种杂质；
(6)调节zr靶功率为200w，关闭mg靶，在基体上沉积200nm厚度的zrn作为过渡层；然后调节mg靶功率为0w，溅射2小时后自然冷却至室温，最终得到zrmgn纳米结构薄膜。
所述基体为不锈钢。
实施例2
与实施例1的区别在于，步骤(6)中沉积好过渡层后，调节mg靶功率为30w；此时薄膜硬度为24.812gpa，弹性模量为350.316gpa，干切削实验下，摩擦系数为0.6819，磨损率为12×10-8mm3·n-1mm-1。
实施例3
与实施例1的区别在于，步骤(6)中沉积好过渡层后，调节mg靶功率为50w；此时薄膜硬度为25.248gpa，弹性模量为342.642gpa，干切削实验下，摩擦系数为0.659，磨损率为8.2×10-8mm3·n-1mm-1。
实施例4
与实施例1的区别在于，步骤(6)中沉积好过渡层后，调节mg靶功率为70w；此时薄膜硬度为24.062gpa，弹性模量为299.1gpa，干切削实验下，摩擦系数为0.7583，磨损率为4.7×10-8mm3·n-1mm-1。
实施例5
与实施例1的区别在于，步骤(6)中沉积好过渡层后，调节mg靶功率为90w；此时薄膜硬度为20.937gpa，弹性模量为239.049gpa，干切削实验下，摩擦系数为0.8168，磨损率为4×10-8mm3·n-1mm-1。
实施例6
与实施例3相比，干切削实验的温度为25℃，对mg靶功率为50w的zrmgn纳米结构薄膜进行摩擦实验，摩擦系数为0.659，磨损率为8.2×10-8mm3·n-1mm-1。
实施例7
与实施例3相比，干切削实验的温度为200℃，对mg靶功率为50w的zrmgn纳米结构薄膜进行摩擦实验，摩擦系数为0.6863，磨损率为22×10-8mm3·n-1mm-1。
实施例8
与实施例3相比，干切削实验的温度为300℃，对mg靶功率为50w的zrmgn纳米结构薄膜进行摩擦实验，摩擦系数为0.7071，磨损率为44×10-8mm3·n-1mm-1。
实施例9
与实施例3相比，干切削实验的温度为500℃，对mg靶功率为50w的zrmgn纳米结构薄膜进行摩擦实验，摩擦系数为0.6248，磨损率为60×10-8mm3·n-1mm-1。
技术特征：
技术总结
本发明公开了一种ZrMgN纳米结构薄膜及其制备方法和应用，所述薄膜分子式表示为(Zr,Mg)N，薄膜以ZrN为过渡层，薄膜的厚度为2～3μm。本发明所述ZrMgN纳米结构薄膜的显微结构为面心立方结构，兼具了高硬度以及优异的摩擦磨损性能；本发明所述ZrMgN纳米结构薄膜的制备方法具有工艺流程简单，生产效率高的优点；本发明所述ZrMgN纳米结构薄膜能够用于刀具涂层材料中，特别适用于高速、高温极端服役条件，以及高性能、干式切削方式领域。
技术研发人员：喻利花;许俊华;鞠洪博
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2017.11.03
技术公布日：2018.03.27
声明：
“ZrMgN纳米结构薄膜及其制备方法和应用与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：江苏科技大学
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2024年12月27日 ~ 29日 
