專利名稱：采用多弧離子鍍制備(TiAlZr)N超硬涂層的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多組元超硬反應(yīng)涂層的制備方法， 特別是多弧離子鍍多組元合金超硬反應(yīng)涂層的制備方法，比如 (TiAlZr)N超硬反應(yīng)涂層的制備方法。
背景技術(shù)：
多弧離子鍍是一種設(shè)有多個(gè)可同時(shí)蒸發(fā)的陰極弧蒸發(fā) 源的真空物理沉積技術(shù)，該技術(shù)適用于超硬涂層的制備，并在TiN， CTi,Al)N超硬涂層的制備方面獲得成功的應(yīng)用。(Ti,Al) N， (Ti,Zr)N, (Ti，Cr)N等超硬復(fù)合涂層由于硬度高、摩擦系數(shù)小、耐熱 性強(qiáng)等各自特性而比TiN涂層更具有開發(fā)應(yīng)用前景。研究和開發(fā)多元 超硬反應(yīng)涂層以期更進(jìn)一步改善涂層的綜合使用性能已成為該領(lǐng)域 的熱點(diǎn)。目前，采用多弧離子鍍技術(shù)制備(TiAlZr)N多組元超硬反應(yīng) 涂層的主要困難在于以下三個(gè)方面其一，單一金屬耙的組合控制或合金耙材的成分。利用多弧離 子鍍制備多元膜層，采用的一種簡(jiǎn)單方法是同時(shí)使用幾種不同元素的 純單質(zhì)靶。在實(shí)際沉積過(guò)程中，可以采用將幾種不同元素的純單質(zhì)耙 平行放置、上下放置及交替放置等方式。采用單元素靶多靶共用方法， 一般通過(guò)分別調(diào)整各個(gè)靶的弧電流來(lái)控制各元素的蒸發(fā)速率，以達(dá)到 控制涂層成分的目的。在制備(Ti,Al,Zr)N 、 (Ti，Al,Cr)N (Ti,Zr，Cr)N 硬質(zhì)膜時(shí)，通常使用純的單元素靶(比如，純Ti，純A1，純Cr，純 Zr靶)進(jìn)行鍍膜組合及控制。但是，無(wú)論如何控制起弧電流，無(wú)論 采用哪一種工件放置方式，實(shí)際上，都難以保證真正的成分均勻分布。
對(duì)于多個(gè)(3個(gè)及以上)組元的沉積，控制起來(lái)會(huì)更加困難，同時(shí)有 些元素也難以加工成靶材。此外，由于多個(gè)弧源同吋工作，容易導(dǎo)致 工件(基片)升溫過(guò)快，引起涂層內(nèi)應(yīng)力增大，附著力迅速下降。對(duì)于TiAlZr多元耙材合金而言，由于元素之間可以形成連續(xù)固溶 體或金屬間化合物，因此對(duì)各元素的相對(duì)含量尚未有明確限定，而 不同的成分配比往往導(dǎo)致超硬反應(yīng)涂層的沉積工藝、附著力、硬度、 耐磨性等的差別，嚴(yán)重影響(TiAlZr)N多組元超硬反應(yīng)涂層的性能， 特別是影響涂層的硬度和附著力，有時(shí)硬度甚至可以低至HV1300 一HV1600，而附著力低至30N以下。這些因素嚴(yán)重阻礙了 (TiAlZr)N 作為超硬多元涂層在刀具、機(jī)械加工等行業(yè)的應(yīng)用。其二，涂層與基體(工件)的附著力。超硬反應(yīng)涂層與高速鋼 基體的附著力較差是一個(gè)普遍的問(wèn)題，盡管在高速鋼基體上采用多 弧離子鍍技術(shù)制備的多組元超硬反應(yīng)涂層，附著力一般能夠達(dá)到30 一70N，仍難以滿足作為刀具耐磨涂層的需要。其三，涂層的硬度。作為超硬反應(yīng)涂層，硬度無(wú)疑是一項(xiàng)重要 指標(biāo)。通常采用單元素靶多靶共用方法獲得的(Ti,Al,Zr)N涂層硬度可 以在HV1600—2600之間，不僅硬度指標(biāo)偏低，同時(shí)波動(dòng)范圍較大， 難以保證穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是提供一種采用多弧離子鍍技術(shù)制備 (TiAlZr)N超硬涂層的方法。該方法可形成一個(gè)TiAlZr合金耙并確 定了TiAlZr合金靶中Ti、 Al、 Zr三個(gè)元素的成分變化范圍，使制 備的(TiAlZr)N超硬涂層具有附著力強(qiáng)(2180N)、硬度高(2HV3000)
等特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明提供的采用多弧離子鍍制備(TiAlZr)N超硬涂層的方法依次包括1、 確定沉積技術(shù)確定多弧離子鍍作為(TiAlZr)N超硬涂層的制備技術(shù)。2、 靶材成分設(shè)計(jì)采用Ti，Al，Zr三組元合金作為陰極靶材。合 金成分中A1重量百分比為(10 20%)、 Zr重量百分比為(10 30%)， 并且Al和Zr的重量百分比之和在30%~40%之間，其余為Ti， Ti的 重量百分比為(60 70%)。3、 合金靶的制備采用高純海綿鈦(99.99%)、采用高純鋁 (99.99%)、以及高純鈦鋯中間合金(99.99%)進(jìn)行三次真空熔煉，得到合金錠，然后按照多弧離子鍍?cè)O(shè)備所要求的靶材尺寸加工成陰極 靶。4、 工件(基片)的選擇與前處理先使用金屬洗滌劑對(duì)工件進(jìn) 行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，然后用乙醇進(jìn)行超聲波 清洗，電吹風(fēng)吹干，再將工件放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜。5、 過(guò)渡層的獲得在沉積之前進(jìn)行10分鐘離子轟擊(在清洗、 活化工件表面的同時(shí))，獲得一個(gè)具有過(guò)渡成分的薄層，過(guò)渡層厚度 約為O. 2~0.3微米。6、 確定電弧源數(shù)量鍍膜時(shí)使用兩個(gè)不同方位且成90度配置的 弧源同時(shí)起弧。7、 對(duì)工件進(jìn)行加熱。8、 沉積工藝的確定當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到8xlO'P、溫度達(dá)到240~300°C時(shí)沖入反應(yīng)氣體N2，鍍膜室真空度達(dá)到(1. 8 2. 5) xl(T P，開啟弧源，進(jìn)行離子轟擊清洗10分鐘，轟擊偏壓從400V逐漸降 低到250V，然后進(jìn)行(TiAlZr)N超硬涂層沉積。鍍膜工藝參數(shù)為偏 壓為150V、氮?dú)鈮毫?1.8 2.5)x10—'P、弧電流保持在(50 60) A、 沉積時(shí)間40 60分鐘。9、 對(duì)鍍膜工件進(jìn)行烘烤。10、 進(jìn)行工件旋轉(zhuǎn)在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層加 熱的整個(gè)過(guò)程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4~6轉(zhuǎn)/分鐘。本發(fā)明使用TiAlZr合金靶并確定了合金成分的可調(diào)范圍，這不 僅避免了采用單元素靶多靶共用方法分別控制純Ti耙、純A1耙，純 Zr靶所帶來(lái)的工藝?yán)щy，保證了涂層的可重復(fù)性，同時(shí)明確了合金 靶中各元素的添加量的范圍。經(jīng)測(cè)試本發(fā)明所制備的(TiAlZr)N超硬 涂層附著力強(qiáng)(S180N)，這與通常使用純的單元素耙(比如，純Ti， 純A1，純Zr靶)制備的(TiAlZr)N涂層(附著力在30-70N之間) 相比，附著力有極大的改善，更加有利于提高(TiAlZr)N超硬涂層 的耐磨壽命，更適合于在刀具行業(yè)的應(yīng)用。經(jīng)測(cè)試本發(fā)明所制備的 (TiAlZr)N超硬涂層硬度高(^HV3000)，這不僅超過(guò)了通常采用單 元素靶多靶共用方法獲得的(Ti,Al,Zr)N涂層的硬度(HV1600— 2600)，同時(shí)具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
在W18Cr4V高速鋼上制備(TiAlZr) N超硬涂層。其制備方法是1、 確定沉積技術(shù)確定多弧離子鍍作為(TiAlZr)N超硬涂層的 制備技術(shù)。2、 靶材成分設(shè)計(jì)采用Ti，Al，Zr三組元合金作為陰極靶材。合 金成分中Al重量百分比為10%、 Zr重量百分比為30%、 Ti的重量百 分比為60%。3、 合金靶的制備采用高純海綿鈦(99.99%)、采用高純鋁 (99.99%)、以及高純鈦鋯中間合金(99.99%)進(jìn)行三次真空熔煉，得到合金錠，其成分為Ti-10Al-30Zr (wt%)，然后按照多弧離子鍍?cè)O(shè) 備所要求的靶材尺寸加工成陰極靶。4、 工件(基片)的選擇與前處理選用W18Cr4V高速鋼材料做 成厚度為5mm、直徑為30,的圓片作為工件，先使用金屬洗滌劑對(duì) 工件進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，然后分別用乙醇 進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干，再將工件放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜。5、 過(guò)渡層的獲得在沉積之前進(jìn)行10分鐘離子轟擊(在清洗、 活化工件表面的同時(shí))，獲得一個(gè)具有過(guò)渡成分的薄層，過(guò)渡層厚度 約為0. 2~0. 3微米，這對(duì)于提高膜層與工件的結(jié)合強(qiáng)度十分重要。6、 確定電弧源數(shù)量鍍膜時(shí)使用兩個(gè)不同方位且成90度配置的 弧源同時(shí)起弧。7、 對(duì)工件進(jìn)行加熱，加熱時(shí)，升溫速度4。C/分鐘，約一小時(shí)后 可以達(dá)到240。C。8、 沉積工藝的確定當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到8xl(TP、溫度達(dá)
到240~300°C時(shí)沖入反應(yīng)氣體N2，鍍膜室真空度達(dá)到2. 0xl(T P，開 啟弧源，進(jìn)行離子轟擊清洗10分鐘，轟擊偏壓從400V逐漸降低到 250V，然后進(jìn)行(TiAlZr)N超硬涂層沉積。鍍膜工藝參數(shù)為偏壓為 150V、氮?dú)鈮毫?.0x10—'P、弧電流保持在(55~58) A、沉積時(shí)間 40分鐘。9、 對(duì)膜層工件進(jìn)行烘烤。沉積過(guò)程結(jié)束后，采用小電流、微加熱， 對(duì)所沉積的(TiAlZr)N超硬涂層進(jìn)行烘烤15分鐘，使真空室緩慢降 溫，約2小時(shí)后取出鍍膜樣品。對(duì)膜層工件進(jìn)行烘烤目的在于延緩真 空室內(nèi)的降溫速度。10、 進(jìn)行工件旋轉(zhuǎn)在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層加 熱的整個(gè)過(guò)程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4轉(zhuǎn)/分鐘。對(duì)鍍膜工件進(jìn)行測(cè)試，其膜層厚度為3. 6微米，附著強(qiáng)度為195N， 硬度為HV3300。 實(shí)施例2在W18Cr4V高速鋼上制備(TiAlZr)N超硬涂層。其制備方法是1、 確定沉積技術(shù)確定多弧離子鍍作為(TiAlZr)N超硬涂層的 制備技術(shù)。2、 靶材成分設(shè)計(jì)采用Ti，Al，Zr三組元合金作為陰極靶材。合 金成分中Al重量百分比為20%、 Zr重量百分比為10%、 Ti的重量百 分比為70%。3、 合金靶的制備采用高純海綿鈦(99.99%)、采用高純鋁 (99.99%)、以及高純鈦鋯中間合金(99.99%)進(jìn)行三次真空熔煉，
得到合金錠，其成分為Ti-20Al-10Zr (wt%)，然后按照多弧離子鍍?cè)O(shè)備所要求的靶材尺寸加工成陰極靶。4、 工件(基片)的選擇與前處理選用W18Cr4V高速鋼材料做 成厚度為5mm、直徑為30ram的圓片作為工件，先使用金屬洗滌劑對(duì) 工件進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，然后分別用乙醇 進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干，再將工件放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜。5、 過(guò)渡層的獲得在沉積之前進(jìn)行的10分鐘離子轟擊(在清洗、 活化工件表面的同時(shí))，所獲得的一個(gè)具有過(guò)渡成分的薄層，過(guò)渡層 厚度約為0.2~0.3微米，這對(duì)于提高膜層與工件的結(jié)合強(qiáng)度十分重 要。6、 確定電弧源數(shù)量鍍膜時(shí)使用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧。7、 對(duì)工件進(jìn)行加熱，加熱時(shí)，升溫速度4。C/分鐘，約一小時(shí)后 可以達(dá)到240。C。8、 沉積工藝的確定當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到8xl(TP、溫度達(dá) 到240°C時(shí)沖入反應(yīng)氣體N2，鍍膜室真空度達(dá)到2. 0x10—' P，開啟弧 源，進(jìn)行離子轟擊清洗10分鐘，轟擊偏壓從400V逐漸降低到250V， 然后進(jìn)行(TiAlZr)N超硬涂層沉積。鍍膜工藝參數(shù)為偏壓為150V、 氮?dú)鈮毫?.0x10—' P、弧電流保持在(55~58) A、沉積時(shí)間50分 鐘。9、 對(duì)膜層工件進(jìn)行烘烤。沉積過(guò)程結(jié)束后,采用小電流、微加熱， 對(duì)所沉積的(TiAlZr)N超硬涂層進(jìn)行烘烤15分鐘，使真空室緩慢降
溫，約2小時(shí)后取出鍍膜樣品。10、進(jìn)行工件旋轉(zhuǎn)在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層加 熱的整個(gè)過(guò)程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4轉(zhuǎn)/分鐘。對(duì)所獲得的鍍膜工件進(jìn)行測(cè)試，其膜層厚度為3.8微米，附著 強(qiáng)度為200N，硬度為HV3500。
權(quán)利要求
1. 一種采用多弧離子鍍技術(shù)制備(TiAlZr)N超硬涂層的方法，其特征是本發(fā)明的方法依次包括(1)、確定沉積技術(shù)確定多弧離子鍍作為(TiAlZr)N超硬涂層的制備技術(shù)；(2)、靶材成分設(shè)計(jì)采用Ti，Al，Zr三組元合金作為陰極靶材，合金成分中Al重量百分比為(10～20％)、Zr重量百分比為(10～30％)，并且Al和Zr的重量百分比之和在30％～40％之間，其余為Ti，Ti的重量百分比為(60～70％)；(3)、合金靶的制備采用高純海綿鈦(99.99％)、采用高純鋁(99.99％)、以及高純鈦鋯中間合金(99.99％)進(jìn)行三次真空熔煉，得到合金錠，然后按照多弧離子鍍?cè)O(shè)備所要求的靶材尺寸加工成陰極靶；(4)、工件(基片)的選擇與前處理先使用金屬洗滌劑對(duì)工件進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，然后用乙醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干，再將工件放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜；(5)、過(guò)渡層的獲得在沉積之前進(jìn)行10分鐘離子轟擊(在清洗、活化工件表面的同時(shí))，獲得一個(gè)具有過(guò)渡成分的薄層，過(guò)渡層厚度約為0.2～0.3微米；(6)、確定電弧源數(shù)量鍍膜時(shí)使用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起??；(7)、對(duì)工件進(jìn)行加熱；(8)、沉積工藝的確定當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到8×10-3P、溫度達(dá)到240～300℃時(shí)沖入反應(yīng)氣體N2，鍍膜室真空度達(dá)到(1.8～2.5)×10-1P，開啟弧源，進(jìn)行離子轟擊清洗10分鐘，轟擊偏壓從400V逐漸降低到250V，然后進(jìn)行(TiAlZr)N超硬涂層沉積，鍍膜工藝參數(shù)為偏壓為150V、氮?dú)鈮毫?1.8～2.5)×10-1P、弧電流保持在(50～60)A、沉積時(shí)間40～60分鐘；(9)、對(duì)鍍膜工件進(jìn)行烘烤；(10)、進(jìn)行工件旋轉(zhuǎn)在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層加熱的整個(gè)過(guò)程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4～6轉(zhuǎn)/分鐘。
全文摘要
一種采用多弧離子鍍技術(shù)制備(TiAlZr)N超硬涂層的方法，它依次包括1.沉積技術(shù)的確定；2.靶材成分的確定；3.合金靶的制備；4.工件(基片)的選擇與前處理；5.過(guò)渡層的獲得；6.電弧源數(shù)量的確定；7.對(duì)工件進(jìn)行加熱；8.沉積工藝的確定；9.對(duì)鍍膜工件進(jìn)行烘烤；10.工件旋轉(zhuǎn)等。本發(fā)明可形成一個(gè)TiAlZr合金靶并確定了TiAlZr合金靶中Ti、Al、Zr三個(gè)元素的成分變化范圍，使制備的(TiAlZr)N超硬涂層具有附著力強(qiáng)(≥180N)、硬度高(≥HV3000)等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/14GK101210309SQ200610155849
公開日2008年7月2日 申請(qǐng)日期2006年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月30日
發(fā)明者鈞 張, 張利鵬, 麗 李, 王春莉, 董世柱, 強(qiáng) 郭 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)大學(xué)