專利名稱：稀土離子滲氮－稀土離子鍍復(fù)合涂層的連續(xù)式合成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種稀土離子滲氮-稀土離子鍍復(fù)合涂層的連續(xù)式合成方法。是一種連續(xù)合成稀土離子滲氮-稀土離子鍍復(fù)合涂層的新技術(shù)。屬于薄膜材料與現(xiàn)代表面工程的物理氣相沉積(PVD)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
為了提高氮化鈦或相關(guān)體系耐磨涂層的硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性、膜/基結(jié)合強(qiáng)度，人們進(jìn)行了許多研究。從研究方向看，大體上是兩條路線一是多元合金化強(qiáng)化，例如已獲得廣泛商業(yè)應(yīng)用的多元涂層是(Ti，Al)N和TiCN等。近來，人們在涂層中引入Cr、Zr、Nb、Mo或Si、B等元素，出現(xiàn)了(Ti，Cr)N、(Ti，Zr)N、(Zr，Cr)N、(Ti，Nb)N、(Ti，B)CN、(Al，Si)N等一些多元涂層，在提高涂層某些特定性能上取得較好的效果。二是多層涂層，例如在70年代中期開始應(yīng)用于硬質(zhì)合金刀片的TiC/TiCN/TiN三層涂層，以及后來相繼出現(xiàn)的TiN/(Ti，Al)N、TiN/NbN、MoS2/DLC/TiCN和滲氮層+TiN等復(fù)合涂層。
所述的滲氮層+TiN復(fù)合涂層具有傳統(tǒng)多元涂層和多層涂層無可比擬的優(yōu)越性能。但其制備過程是非連續(xù)式的。即先在滲氮爐滲氮(氣體滲氮或離子滲氮)，然后把經(jīng)過噴砂和研磨加工的滲氮件再轉(zhuǎn)入等離子體鍍膜機(jī)沉積TiN涂層。顯然這種方法存在明顯的缺點(diǎn)(1)兩個(gè)工序是在分立的兩臺設(shè)備上獨(dú)立進(jìn)行的，滲氮件在滲氮后出爐和轉(zhuǎn)移至鍍膜機(jī)過程中會受到氧化和其它污染，而影響鍍膜質(zhì)量。(2)受到氧化的滲氮件需要經(jīng)研磨加工，無形中增加了一道工序，不但費(fèi)時(shí)耗電，而且氧化層往往難以徹底清除。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題，即本發(fā)明的目的，是為了克服現(xiàn)有滲氮層+TiN復(fù)合涂層的合成方法中存在不能連續(xù)合成、易造成滲氮層氧化和受污染、加工時(shí)間長、耗時(shí)耗電的缺點(diǎn)，并且在滲氮和涂層過程中引入稀土元素，提供一種稀土離子滲氮-稀土離子鍍復(fù)合涂層的連續(xù)式合成方法。
本發(fā)明的目的可以采取如下措施達(dá)到稀土離子滲氮-稀土離子鍍復(fù)合涂層的連續(xù)式合成方法，其特征在于包括如下步驟
1)制備稀土添加劑，所述稀土添加劑由稀土鹵化物溶入醇液中制備而成，稀土鹵化物的配入量為每升醇液中配入15～28g/L；或者為了使用方便，亦可以先制備出稀土濃度較高的稀土原液備用，在現(xiàn)場再把稀土原液用醇液稀釋成稀土添加劑；2)制備氮基混合氣體，首先把第1)步制得的稀土添加劑吸入至已抽真空的氣罐(可用空的氮?dú)馄?中，形成稀土溶液的蒸發(fā)氣體，再按比例充入氮?dú)猓沟獨(dú)馀c稀土溶液的蒸發(fā)氣體混合，構(gòu)成氮基混合氣體；在氮基混合氣體中稀土溶液蒸發(fā)氣所占的體積百分含量為10～18％；3)制備稀土離子滲氮層，通過質(zhì)量流量計(jì)，把上述第2)步制得的氮基混合氣體通入真空室中，并按比例通入氬氣；以這種氮基混合氣體與氬氣的混合氣為工作氣體進(jìn)行離子滲氮，制備稀土離子滲氮層。
4)沉積稀土改性硬質(zhì)涂層，在第3)步工作完成后，關(guān)閉氬氣，僅以氮基(稀土)混合氣為工作氣體，在一定的工藝條件下，便可在滲氮層上制備出稀土改性的硬質(zhì)復(fù)合涂層。
為了達(dá)到本發(fā)明的工藝目的，還可以采取如下措施本發(fā)明的一種實(shí)施方式是在制備硬質(zhì)復(fù)合涂層時(shí)，在滲氮前，先在工件或試樣上沉積一薄層(10～100納米即可)的純鈦層(利用鈦的催滲作用)，再通入一定量的氮基混合氣體-氬氣混合氣，在一定的工藝條件下進(jìn)行稀土滲氮(視工模具工作刃的厚薄程度，滲氮層以15～50μm為宜)；滲氮完成后，關(guān)閉氬氣，調(diào)節(jié)氮基甲醇(稀土)混合氣的通入量，在一定的工作壓力和鍍膜工藝參數(shù)下進(jìn)行涂層沉積。
本發(fā)明的一種實(shí)施方式是前述方法中所用的稀土鹵化物為含鈰、釔或鑭的稀土鹵化物，或者為含鈰、釔和鑭的混合稀土鹵化物。
本發(fā)明的一種實(shí)施方式是前述方法第1)步中的醇液為甲醇、乙醇或異丙醇。
本發(fā)明的一種實(shí)施方式是前述方法中第2)步，在確定氮基混合氣中醇(稀土)溶液蒸發(fā)氣體的比例時(shí)，可以在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲醇、乙醇和異丙醇的產(chǎn)氣量分別為1.66L/ml、1.55L/ml和1.45L/ml進(jìn)行近似計(jì)算。
本發(fā)明具有以下突出效果1、本發(fā)明是在鍍膜機(jī)內(nèi)連續(xù)完成制備的復(fù)合涂層的全過程，使?jié)B氮與鍍膜一氣呵成，具有提高復(fù)合涂層的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源的突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的技術(shù)進(jìn)步。
2、本發(fā)明方法的整個(gè)過程能在同一真空室內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)滲氮和鍍膜的設(shè)備中連續(xù)進(jìn)行，是在滲氮層和等離子硬質(zhì)涂層中添加稀土元素，既可實(shí)現(xiàn)稀土催滲離子滲氮，改善滲氮層組織性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)稀土對等離子體涂層的改性，使涂層結(jié)合力和高溫抗氧化性、耐蝕性顯著提高。
3、本發(fā)明工藝方法，是一項(xiàng)全面提升復(fù)合涂層物理力學(xué)性能的有效和簡便的技術(shù)方法。只要將稀土配入有機(jī)溶液中，采用吸入法導(dǎo)入爐內(nèi)即可。當(dāng)稀土進(jìn)入爐內(nèi)后，在等離子空間中被離化，形成帶正電荷的稀土離子，在負(fù)偏壓作用下，稀土離子和相應(yīng)的氮離子向工件表面運(yùn)動并吸附在工件表面，隨后通過擴(kuò)散進(jìn)入表層形成滲氮層；或在工件表面與待鍍的金屬離子和氮離子一起，發(fā)生等離子化學(xué)反應(yīng)和其它物理冶金過程，直接沉積形成涂層。


圖1為利用本發(fā)明制備的稀土CrN復(fù)合涂層的金相組織示意圖。
圖2是稀土NL+TiN復(fù)合涂層的表面形貌示意圖。
圖3是稀土NL+(Ti，Ce)N復(fù)合涂層的表面形貌示意圖。
其中NL為滲氮層的簡寫。圖中表層(白亮色薄帶狀)為CrN涂層(2.5μm)，次層顏色較深的部位為滲氮層(擴(kuò)散層)，心部為W6Mo5Cr4V2高速鋼基體。經(jīng)能譜分析，證實(shí)在滲氮層和CrN涂層中均有微量稀土元素存在。
具體實(shí)施例方式
以下各具體實(shí)施例的稀土離子滲氮-稀土離子鍍復(fù)合涂層連續(xù)式合成的具體實(shí)施方法如下1)分別把含鈰、釔或鑭的稀土鹵化物(或含上述主要元素的混合稀土鹵化物)按一定比例溶入甲醇中，溶入量為15～28g/L，制備成稀土添加劑。然后利用吸入法，把稀土添加劑吸入至已抽到一定真空度(略低于常壓即可)的氣罐(符合壓力容器技術(shù)要求)中，再充入一定量的氮?dú)猓沟獨(dú)馀c甲醇稀土溶液的蒸發(fā)氣體混合(甲醇稀土溶液的蒸氣約占總氣量的10～18％)。這種含稀土的氮基甲醇混合氣便可用于離子滲氮和離子鍍涂層沉積中。
2)在離子滲氮和沉積涂層時(shí)，通過質(zhì)量流量計(jì)，按工藝要求，把上述氮基混合氣體通入真空室中。通過調(diào)節(jié)這種含稀土的氮基甲醇混合氣與氬氣的通入比例，便可實(shí)現(xiàn)稀土滲氮時(shí)稀土含量的調(diào)節(jié)；當(dāng)在鍍膜時(shí)，以這種氮基甲醇(稀土)混合氣作為工作氣體，便可制備出稀土改性的硬質(zhì)涂層。通過調(diào)整稀土添加劑中稀土的溶入比例，也可達(dá)到調(diào)整滲氮層或涂層中稀土含量之目的。
3)在沉積氮化鈦系復(fù)合涂層時(shí)，在滲氮前，先在工件(或試樣)上沉積一薄層(薄層的厚度可以為10、20、40、60、80或100納米)的純鈦層(利用鈦的催滲作用)，再通入一定量的氮基甲醇(稀土)混合氣與氬氣混合，在一定的工藝條件下進(jìn)行稀土滲氮(視工模具工作刃的厚薄程度，滲氮層以15～50μm為宜)；滲氮完成后，關(guān)閉氬氣，調(diào)節(jié)氮基甲醇(稀土)混合氣的通入量，在一定的工作壓力和鍍膜工藝參數(shù)下進(jìn)行涂層沉積。
具體實(shí)施例1W6Mo5Cr4V2高速鋼銑刀(10mm)和相應(yīng)的試片(以下簡稱工件)鍍稀土NL+TiN復(fù)合涂層(NL為滲氮層的簡寫)。
涂層設(shè)備(俄國制)STANKIN-NBC-1型多功能電弧等離子體鍍膜機(jī)，該設(shè)備帶金屬原子(離子)過濾裝置和等離子滲氮系統(tǒng)。稀土原料用氯化釔，稀土添加劑的濃度為16g/L。
工件經(jīng)嚴(yán)格的清洗后裝入鍍膜機(jī)中。本底真空度為0.001Pa；開加熱器預(yù)熱至350；通入氬氣，在壓力0.3Pa條件下進(jìn)行Ar離子刻蝕(偏壓-200V)20min；在氣體壓力為0.03Pa，偏壓-800V和一定弧流條件下，對工件進(jìn)行金屬離子刻蝕6min；嗣后，在-200V偏壓下鍍純鈦層3min；隨即啟動金屬原子(離子)過濾裝置，通入氮基甲醇(稀土)混合氣，調(diào)節(jié)N2與Ar的通入比例為1.2∶3，至爐內(nèi)壓力為0.3Pa，在一定的弧流和偏壓下進(jìn)行稀土滲氮20min，滲氮溫度470～480℃；在移去過濾裝置，變換電源進(jìn)行鍍膜時(shí)，開啟弧源和偏壓電源，用3個(gè)鈦靶沉積50min，弧流75A，偏壓-200V，沉積溫度480～500。
此工藝的特點(diǎn)是在滲氮過程中把稀土催滲技術(shù)與鍍鈦催滲結(jié)合起來，明顯提高了滲氮速度；在鍍膜時(shí)，利用稀土在等離子化學(xué)反應(yīng)中的獨(dú)特效應(yīng)和微合金化作用，對涂層進(jìn)行改性，以全面提高涂層質(zhì)量。
經(jīng)檢驗(yàn)，稀土NL+TiN復(fù)合涂層中的氮化層厚度為21μm(比不加稀土的滲氮速度提高22％)，滲氮層中無白亮層，只有滲氮擴(kuò)散層；TiN涂層厚度2.2μm，顯微硬度2050HV25g；用劃痕法測定，膜/基結(jié)合力＞100N，按德國工程師協(xié)會VDI 3198-1992涂層結(jié)合力評級標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)HF1級(共分6級，HF1最好)；涂層表面光滑，液滴顆粒的數(shù)量明顯減少(參看圖2)，最大液滴尺寸基本不超過3～4μm(未加稀土的較大的液滴達(dá)6～8μm)。稀土NL+TiN復(fù)合涂層高速鋼銑刀的切削性能對比試驗(yàn)(主軸轉(zhuǎn)速為1180r/min；切壞材料40Cr鋼，調(diào)質(zhì)熱處理后硬度350HB)表明，稀土復(fù)合涂層銑刀的切削壽命與單一TiN涂層銑刀相比有較大的提高(稀土復(fù)合涂層銑刀的銑削總長度為8403mm，TiN涂層銑刀為4064mm，無涂層的為1039mm)，使用壽命比無稀土的單一TiN涂層銑刀超過1倍，比普通無涂層銑刀提高7~8倍；銑削時(shí)切削平穩(wěn)，機(jī)床震動和磨擦噪聲減小。
1)分別把含鈰、釔或鑭的稀土鹵化物(或含上述主要組元的混合稀土鹵化物)按一定比例配入甲醇中，配入量為15～28g/L，制備成稀土添加劑。然后利用吸入法，把稀土添加劑吸入至已抽到一定真空度(略低于常壓即可)的氣罐(符合壓力容器技術(shù)要求)中，再充入一定量的氮?dú)?，使氮?dú)馀c甲醇稀土溶液的蒸發(fā)氣體混合(甲醇稀土溶液的蒸氣約占總氣量的10～18％)。這種含稀土的氮基甲醇混合氣便可用于離子滲氮和離子鍍涂層沉積中。
2)在離子滲氮和沉積涂層時(shí)，通過質(zhì)子流量計(jì)，按工藝要求，把上述氮基混合氣體通入真空室中。通過調(diào)節(jié)這種含稀土的氮基甲醇混合氣與氬氣的通入比例，便可實(shí)現(xiàn)稀土滲氮時(shí)稀土含量的調(diào)節(jié)；當(dāng)在鍍膜時(shí)，以這種氮基甲醇(稀土)混合氣作為工作氣體，便可制備出稀土改性的硬質(zhì)涂層。
3)在沉積氮化鈦系復(fù)合涂層時(shí)，在滲氮前，先在工件(或試樣)上沉積一薄層(幾十納米即可)的純鈦層(利用鈦的催滲作用)，再通入一定量的氮基甲醇(稀土)混合氣與氬氣混合，在一定的工藝條件下進(jìn)行稀土滲氮(視工模具工作刃的厚薄程度，滲氮層以15～50μm為宜)；滲氮完成后，關(guān)閉氬氣，調(diào)節(jié)氮基甲醇(稀土)混合氣的通入量，在一定的工作壓力和鍍膜工藝參數(shù)下進(jìn)行涂層沉積。
具體實(shí)施例2W6Mo5Cr4V2高速鋼銑刀(φ10mm)和相應(yīng)的試片(以下簡稱工件)鍍稀土NL+TiN復(fù)合涂層(NL為滲氮層的簡寫)。
涂層設(shè)備(俄國制)STANKIN-NBC-1型多功能電弧等離子體鍍膜機(jī)，該設(shè)備帶金屬原子(離子)過濾裝置和等離子滲氮系統(tǒng)。稀土原料用氯化釔，稀土添加劑的濃度為16g/L。
工件經(jīng)嚴(yán)格的清洗后裝入鍍膜機(jī)中。本底真空度為0.001Pa；開加熱器預(yù)熱至350℃；通入氬氣，在壓力0.3Pa條件下進(jìn)行Ar離子刻蝕(偏壓-200V)20min；在氣體壓力為0.03Pa，偏壓-800V和一定弧流條件下，對工件進(jìn)行金屬離子刻蝕6min；嗣后，在-200V偏壓下鍍純鈦層3min；隨即啟動金屬原子(離子)過濾裝置，通入氮基甲醇(稀土)混合氣，調(diào)節(jié)N2與Ar的通入比例為1.2∶3，至爐內(nèi)壓力為0.3Pa，在一定的弧流和偏壓下進(jìn)行稀土滲氮20min，滲氮溫度470～480℃；在移去過濾裝置，變換電源進(jìn)行鍍膜時(shí)，開啟弧源和偏壓電源，用3個(gè)鈦靶沉積50min，弧流75A，偏壓-200V，沉積溫度480～500 。
此工藝的特點(diǎn)是在滲氮過程中把稀土催滲技術(shù)與鍍鈦催滲結(jié)合起來，明顯提高了滲氮速度；在鍍膜時(shí)，利用稀土在等離子化學(xué)反應(yīng)中的獨(dú)特效應(yīng)和微合金化作用，對涂層進(jìn)行改性，以全面提高涂層質(zhì)量。
經(jīng)檢驗(yàn)，稀土NL+TiN復(fù)合涂層中的氮化層厚度為21μm(比不加稀土的滲氮速度提高22％)，滲氮層中無白亮層，只有滲氮擴(kuò)散層；TiN涂層厚度2.2μm，顯微硬度2050HV25g；用劃痕法測定，膜/基結(jié)合力＞100N，按德國工程師協(xié)會VDI 3198-1992涂層結(jié)合力評級標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)HF1級(共分6級，HF1最好)；涂層表面光滑，液滴顆粒的數(shù)量明顯減少(參看圖2)，最大液滴尺寸基本不超過3～4μm(未加稀土的較大的液滴達(dá)6～8μm)。稀土NL+TiN復(fù)合涂層高速鋼銑刀的切削性能對比試驗(yàn)(主軸轉(zhuǎn)速為1180r/min；切壞材料40Cr鋼，調(diào)質(zhì)熱處理后硬度350HB)表明，稀土復(fù)合涂層銑刀的切削壽命與單一TiN涂層銑刀相比有較大的提高(稀土復(fù)合涂層銑刀的銑削總長度為8403mm，TiN涂層銑刀為4064mm，無涂層的為1039mm)，使用壽命比無稀土的單一TiN涂層銑刀超過1倍，比普通無涂層銑刀提高7～8倍；銑削時(shí)切削平穩(wěn)，機(jī)床震動和磨擦噪聲減小。
具體實(shí)施例3W6Mo5Cr4V2高速鋼螺絲沖頭。涂層設(shè)備與上例設(shè)備相同。涂層種類為NL+(Ti，Cr，Ce)N復(fù)合涂層。稀土原料選用富鈰氯化稀土，稀土添加劑的濃度為22g/L。
工藝特點(diǎn)是滲氮時(shí)采用二步法工藝，即開始階段，提高氮勢和稀土的加入量，第二階段再適當(dāng)降低進(jìn)行擴(kuò)散。通過此工藝可以強(qiáng)化滲氮過程，提高滲氮速度。
與具體實(shí)施例1不同之處還在于沒應(yīng)用鍍鈦催滲工藝。
該工藝中應(yīng)用了2個(gè)純鈦靶和1個(gè)純鉻靶。滲氮時(shí)間為30min，前10min，N2與Ar的通入比例為1.4∶3，后20min N2與Ar的通入比例為1∶3。其它工藝參數(shù)，除弧流略有不同外，基本與例1相一致。
經(jīng)檢驗(yàn)，NL+(Ti，Cr，Ce)N復(fù)合涂層中的氮化層厚度為28μm(比不加稀土的滲氮速度提高20％)；(Ti，Cr，Ce)N涂層厚度2.3μm，顯微硬度2350HV25g；用劃痕法測定，膜/基結(jié)合力＞100N，按德國工程師協(xié)會VDI 3198-1992涂層結(jié)合力評級標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)HF1級(共分6級，HF1最好)；涂層表面光滑，液滴顆粒的數(shù)量與不加稀土的相比明顯減少，最大液滴尺寸也減小。經(jīng)現(xiàn)場生產(chǎn)試驗(yàn)，該種十字螺絲沖頭(沖擊頻率104次/分鐘，螺絲材料為不銹鋼)平均沖擊次數(shù)8420次(單一的(Ti，Cr，Ce)N涂層沖頭平均為4884次)，使用壽命提高75％。
本發(fā)明制備的復(fù)合涂層是在能在同一真空室內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)滲氮和鍍膜的真空等離子體鍍膜機(jī)內(nèi)連續(xù)完成的，滲氮與鍍膜一氣呵成。既確保了復(fù)合涂層的質(zhì)量，又提高了工效。
這種滲氮—離子鍍復(fù)合涂層連續(xù)式合成，是通過在鍍膜系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)金屬原子(離子)的過濾裝置來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)過濾裝置啟動后，擋住了質(zhì)量較大的原子和離子，而質(zhì)量很小的電子得以通過。這樣，通過的電子遂在過濾裝置后面形成電子云作為虛擬陰極。這時(shí)如果啟動離子滲氮系統(tǒng)，則電子在電場力的作用下發(fā)生遷徙，從而電離了兩極間的氮?dú)夂蜌鍤怏w分子。此時(shí)，若在基體上加負(fù)偏壓，即可實(shí)現(xiàn)滲氮。滲氮結(jié)束后，通過程序移開過濾裝置，變換電源并調(diào)整氣源，按正常的鍍膜作業(yè)，便可實(shí)現(xiàn)常規(guī)的涂層沉積。
已經(jīng)知道在滲氮過程中添加稀土元素能起催滲和微合金化作用。在離子鍍涂層中添加微量稀土元素，能提高涂層多項(xiàng)性能，特別對獲得致密的涂層組織，提高涂層的抗高溫氧化能力，提升膜/基結(jié)合強(qiáng)度十分有利，并能開發(fā)出低溫沉積技術(shù)。在(Ti，Al)N，(Ti，Cr)N，(Ti，Zr)N，(Zr，Cr)N，(Ti，Mo)N，(Ti，Nb，Cr)N，(Ti，Al，Cr)N等耐磨涂層中添加稀土元素，將使這些多元涂層的物理力學(xué)性能獲得進(jìn)一步的提高。
此處說的復(fù)合涂層是指單層或多層氮化鈦或相關(guān)體系耐磨涂層與其它滲鍍層的復(fù)合。其思路是在基材與涂層之間首先制備一個(gè)過渡層或中間層(inter-layer)，再在其上面沉積單層或梯度涂層。
本發(fā)明是在滲氮層和等離子硬質(zhì)涂層中添加稀土元素，既可實(shí)現(xiàn)稀土催滲離子滲氮，改善滲氮層組織性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)稀土對等離子體涂層的改性，使涂層結(jié)合力和高溫抗氧化性、耐蝕性顯著提高。本工藝方法是在能在同一真空室內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)滲氮和鍍膜的設(shè)備中連續(xù)進(jìn)行的。這是一項(xiàng)全面提升復(fù)合涂層物理力學(xué)性能的有效和簡便的技術(shù)方法。只要將稀土配入有機(jī)溶液中，采用吸入法導(dǎo)入爐內(nèi)即可。當(dāng)稀土進(jìn)入爐內(nèi)后，在等離子空間中被離化，形成帶正電荷的稀土離子，在負(fù)偏壓作用下，稀土離子和相應(yīng)的氮離子向工件表面運(yùn)動并吸附在工件表面，隨后通過擴(kuò)散進(jìn)入表層形成滲氮層；或在工件表面與待鍍的金屬離子和氮離子一起，發(fā)生等離子化學(xué)反應(yīng)和其它物理冶金過程，直接沉積形成涂層。
從概念上講，用于刀具上的耐磨涂層應(yīng)是兼顧涂層表層性質(zhì)(如硬度、耐磨性、熱穩(wěn)定性、附著力、彈性模量、內(nèi)應(yīng)力等)和基材性質(zhì)(如強(qiáng)度、韌性等)，使其完美結(jié)合的結(jié)構(gòu)材料。涂層的成分、結(jié)構(gòu)和其物理力學(xué)性能的設(shè)計(jì)應(yīng)符合以下原則，即一方面提高工具刃口的抗宏觀、微觀損壞的能力；另一方面，緩解刃口與被加工制件的接觸應(yīng)力，降低切削力和切削扭矩，使刀具切削時(shí)刃部的溫升減小。所以較理想的刀具涂層材料，可看作是刀具和加工材料接觸面的“具有中間功能”的介質(zhì)，它提高了刀具接觸面的抗磨損能力，同時(shí)降低了熱磨損熱源的強(qiáng)度。
參考對磨、鉆、端面銑加工中刀具切削部分熱量狀態(tài)和接觸應(yīng)力分析及對涂層刀具強(qiáng)度理論的研究，可設(shè)計(jì)出耐熱抗磨復(fù)合涂層。該復(fù)合涂層由強(qiáng)化層和耐磨層構(gòu)成。耐熱抗磨復(fù)合涂層的每一涂層單元都有特定的功能強(qiáng)化層增加刀具切削楔的強(qiáng)度和硬度，對耐磨層起強(qiáng)力支撐作用；耐磨層由于引入了多元合金化，使涂層硬度、耐磨性和熱穩(wěn)定性得以提升，使涂層刀具更適于高速切削的工況條件。
本發(fā)明合成的復(fù)合涂層，強(qiáng)化層為稀土滲氮(稀土/氮共滲)層，耐磨層為稀土改性耐熱抗磨離子鍍膜層，物理力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性高，涂層品質(zhì)良好，完全符合上述工模具耐磨涂層的設(shè)計(jì)理念。
權(quán)利要求
1.稀土離子滲氮-稀土離子鍍復(fù)合涂層的連續(xù)式合成方法，其特征在于包括如下步驟1)制備稀土添加劑，所述稀土添加劑由稀土鹵化物溶入醇液中制備而成，稀土鹵化物的配入量為每升醇液中配入15～28g/L；或者先制備出稀土濃度較高的稀土原液備用，在現(xiàn)場再把稀土原液用醇液稀釋成稀土添加劑；2)制備氮基混合氣體，首先把第1)步制得的稀土添加劑吸入至已抽真空的氣罐(可用空的氮?dú)馄?中，形成稀土溶液的蒸發(fā)氣體，再按比例充入氮?dú)?，使氮?dú)馀c稀土溶液的蒸發(fā)氣體混合，構(gòu)成氮基混合氣體；在氮基混合氣體中稀土溶液蒸發(fā)氣所占的體積百分含量為10～18％。3)制備稀土離子滲氮層，通過質(zhì)量流量計(jì)，把上述第2)步制得的氮基混合氣體通入真空室中，并按比例通入氬氣；以這種氮基混合氣體與氬氣的混合氣為工作氣體進(jìn)行離子滲氮，制備稀土離子滲氮層。4)沉積稀土改性硬質(zhì)涂層，在第3)步工作完成后，關(guān)閉氬氣，僅以氮基(稀土)混合氣為工作氣體，在一定的工藝條件下，便可在滲氮層上制備出稀土改性的硬質(zhì)復(fù)合涂層。
2.如權(quán)利要求1所述的稀土離子滲氮-稀土離子鍍復(fù)合涂層的連續(xù)式合成方法，其特征在于制備硬質(zhì)復(fù)合涂層，在滲氮前，先在工件或試樣件上沉積一層純鈦薄層、該純鈦薄層的厚度為10～100納米，再通入氮基混合氣體-氬氣混合氣，在傳統(tǒng)的工藝條件下進(jìn)行稀土滲氮、并形成稀土滲氮層，使所述鋒土滲氮層的厚度為15～50μm；滲氮完成后，關(guān)閉氬氣，調(diào)節(jié)稀土氮基甲醇混合氣的通入量，在設(shè)定的工作壓力和鍍膜工藝參數(shù)下進(jìn)行涂層沉積。
3.如權(quán)利要求1所述的稀土離子滲氮-稀土離子鍍復(fù)合涂層的連續(xù)式合成方法，其特征在于前述方法中所用的稀土鹵化物為含鈰、釔或鑭的稀土鹵化物，或者為含鈰、釔和鑭的混合稀土鹵化物。
4.如權(quán)利要求1所述的稀土離子滲氮-稀土離子鍍復(fù)合涂層的連續(xù)式合成方法，其特征在于前述方法中第1)步、第2步中的醇液為甲醇、乙醇或異丙醇。
5.如權(quán)利要求1所述的稀土離子滲氮-稀土離子鍍復(fù)合涂層的連續(xù)式合成方法，其特征在于前述方法中第2)步，在確定氮基混合氣中醇溶液蒸發(fā)氣體的比例時(shí)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲醇、乙醇和異丙醇的產(chǎn)氣量分別為1.66L/ml、1.55L/ml和1.45L/ml進(jìn)行計(jì)算。
全文摘要
本發(fā)明涉及稀土離子滲氮－稀土離子鍍復(fù)合涂層的連續(xù)式合成方法，其特征在于包括如下步驟1)制備稀土添加劑，所述稀土添加劑由稀土鹵化物溶入醇液中制備而成；2)制備氮基混合氣體，首先把第1)步制得的稀土添加劑形成稀土溶液的蒸發(fā)氣體，再按比例充入氮?dú)猓瑯?gòu)成氮基混合氣體；3)制備稀土離子滲氮層，通過質(zhì)量流量計(jì)，把上述第2)步制得的氮基混合氣體通入真空室中，并按比例通入氬氣，制備稀土離子滲氮層；4)沉積稀土改性硬質(zhì)涂層。本發(fā)明是在鍍膜機(jī)內(nèi)連續(xù)完成制備的復(fù)合涂層的全過程，使?jié)B氮與鍍膜一氣呵成，具有提高復(fù)合涂層的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約能源的突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的技術(shù)進(jìn)步。
文檔編號C23C16/448GK101033544SQ20061012330
公開日2007年9月12日 申請日期2006年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月3日
發(fā)明者黃拿燦, 董小虹, 蘇宇輝, 張中弦 申請人:廣東世創(chuàng)金屬科技有限公司