專利名稱：一種TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工、模具涂層，具體涉及一種TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層及其制備方法，TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層具體是TiN/Ti (C，hx) /Ti (CN)梯度納米復(fù)合多層涂層。
背景技術(shù)：
先進(jìn)制造行業(yè)的需求對工、模具表面涂層技術(shù)提出了嚴(yán)苛的要求高硬度、高耐磨性、高精密度、高生產(chǎn)效率、環(huán)保等。自上世紀(jì)七十年代在工具領(lǐng)域采用化學(xué)氣相沉積(CVD)制備TiN以來，研究結(jié)果表明TiN中的部分N原子可以被C原子取代，形成晶體結(jié)構(gòu)相似的TiC，卜x組分(其中，X = 0-1)，隨著含碳量增加，硬度相應(yīng)提高。從涂層的耐磨性、沖擊韌性等綜合考慮，Ti (C。.5N。.5)(俗稱TiCN)具有最佳的耐摩擦磨損能力它同時(shí)兼?zhèn)淞?TiN同基體結(jié)合力高及TiC耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)。因此，TiCN在工模具領(lǐng)域得到極大應(yīng)用，其制備技術(shù)也獲得長足發(fā)展。 CVD法制備TiCN系列涂層，最大的缺點(diǎn)是高溫制備。雖然近來研究開發(fā)了中溫CVD制備(MT-CVD)方法，但溫度仍然在60(TC以上，足以造成鐵基工、模具基體材料的變質(zhì)，且制備中需要采用有毒的TiCl4氣體源。隨著涂層技術(shù)的發(fā)展，單層多元涂層逐漸被多層復(fù)合涂層所取代。通過不同組分的涂層組合，可以以發(fā)揮各種涂層的優(yōu)越性能。研究表明，當(dāng)涂層中每層膜厚度為20-50納米左右時(shí)，由于材料晶體結(jié)構(gòu)中的點(diǎn)缺陷和線缺陷(位錯(cuò))幾乎不存在，故其硬度和韌性等性能可達(dá)到材料本身最佳狀態(tài)。甚至通過有效控制每一組成層的厚度，可以形成周期調(diào)制的"超晶格"結(jié)構(gòu)，從而使涂層的硬度/彈性模量獲得大幅度提高。物理氣相沉積(PVD)反應(yīng)濺射制備方法通過有效的公自傳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)易于制備納米復(fù)合多層結(jié)構(gòu)涂層。 雖然其他系列的先進(jìn)涂層技術(shù)(如多元Ti-Al-N，DLC，Ti-Si-N等)近年來相繼開發(fā)應(yīng)用，但在較低切削速率、要求高精度、帶有潤滑的條件下，如汽車零部件加工用滾刀、汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子加工用"揪樹"型銑刀，仍然廣泛采用TiCN系列涂層。國外采用多層復(fù)合涂層，尤其納米復(fù)合涂層研究應(yīng)用較多，較有代表性的TiCN系列涂層為Carmet公司和Kennametal公司的工具涂層，其結(jié)構(gòu)為TiC/TiCN/TiN、 TiC/TiCN/Al203、 TiCN/TiC/TiCN ;SandvikCoromant的TiCN_TiN/Al203-TiN、 Widia公司的TiC/TiCN/TiN/Al (0， N)/TiN涂層；不二越公司的OSG型涂層，其結(jié)構(gòu)為TiN/TiCN/Ti，采用Ti金屬作外涂層的最外層，涂層的整體硬度將會(huì)有所降低，該層將在使用過程中快速被磨除。上述涂層均由無數(shù)納米薄層組合而成，一定數(shù)量的納米薄層組成一個(gè)區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)成分一定，不發(fā)生變化，區(qū)域之間存在明顯的成分突變。這種區(qū)域界面的成分突變將導(dǎo)致物理力學(xué)參數(shù)的突變，如彈性模量、導(dǎo)熱性、熱膨脹系數(shù)等，從而在涂層中產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力，誘發(fā)界面附近率先出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致涂層破裂和剝離。 如何提高涂層同基體間的結(jié)合力、同時(shí)提高涂層的耐磨性，避免使用過程中涂層崩落是先進(jìn)涂層十分關(guān)注的問題。在TiC，卜,組分(其中，X二0-1)中，TiC具有最高的硬
4度(HV3300-4000)和最低的熱膨脹系數(shù)(7. 8 X 10—7°C )，但是該成分很脆，韌性差；TiN具有最低的硬度(HV1900-2400)和最高的熱膨脹系數(shù)(8.3X10—e廣C)，但該成分具有最佳的韌性，Al^fTiC-TiN基金屬陶瓷中隨著TiN含量增加材料的斷裂韌性升高(盧紅憲，許舟，蔣明學(xué).高溫體系A(chǔ)l20fTiC-TiN基金屬陶瓷的制備和性能[J]?；鸸て?，2007(3) :47-49);TiCN的性能介于上述二者之間，硬度為HV2600-3200，熱膨脹系數(shù)為8. 1X10—7°C。工、模具使用中期望涂層具有充分的韌性和結(jié)合力，因此從涂層的使用角度來看，TiC并非理想的涂層-基體結(jié)合層材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提供一種適宜于在硬紙合金、洛氏硬度超過HRC60的鐵基工具或模具基體表面處理的、具有高結(jié)合力、高耐磨性的TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層。 本發(fā)明的另一 目的在于提供上述TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層的制備方法。
本發(fā)明在至少配備空心陰極(HCD)等離子體源(HCD電子槍)及陰極多弧離子源的真空鍍膜設(shè)施中進(jìn)行。鍍膜設(shè)備需要具備可公、自轉(zhuǎn)的工件機(jī)構(gòu)，公、自轉(zhuǎn)速度可分別獨(dú)立控制，以便獲得每一單層尺度小于100nm的薄層。
本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) —種TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層該納米梯度復(fù)合多層涂層是在硬紙合金、洛氏硬度超過HRC60的鐵基工具或模具基體上，依次由TiN膜、梯度變化Ti(CA—x)膜和TiCN膜組成結(jié)構(gòu)為TiN/Ti (C，卜X)/Ti (CN)納米復(fù)合多層涂層，其中x = 0_0. 5。
TiN/Ti(C，卜x)/Ti(CN)納米復(fù)合多層涂層的最內(nèi)層TiN厚度占涂層總厚度的5-10X，Ti(CA—x)占涂層總厚度的50-80X，最外層Ti(CN)占涂層總厚度的10-40% 。
TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層的制備方法，包括如下步驟和工藝條件
(1)表面預(yù)處理將工具或模具置于堿性金屬清洗液煮沸30-120分鐘表面除油；室溫下將工具或模具置于盛有堿性金屬清洗液的超聲清洗機(jī)中超聲處理5-15分鐘；將清洗后的工具或模具放入純乙醇溶液脫水處理后干燥； (2)預(yù)加熱將經(jīng)過預(yù)處理的工具或模具裝入鍍膜爐中，抽真空達(dá)到5X 10—卞a后，通入Ar氣，維持真空度為2. 0-4. OX 10—屮a，啟動(dòng)HCD電子槍及爐體內(nèi)加熱裝置；HCD電子槍起弧后，控制HCD電子槍電流在110-180A ;HCD源的直流等離子體電弧直接照射工具或模具表面，直到真空室內(nèi)達(dá)到IO(TC -200°C ; (3)表面清洗刻蝕通入Ar維持鍍膜爐真空室壓力為2-4X 10—屮a，調(diào)整HCD槍電流為120-140A ;對工件施加300-800V脈沖偏壓；啟動(dòng)1_3個(gè)陰極多弧鈦耙，濺射出來的鈦離子在電場作用下轟擊工具或模具表面；在高能電子和金屬離子共同作用下清洗和刻蝕表面，清洗刻蝕工具或模具45-60分鐘，鍍膜爐真空室室內(nèi)溫度不超過300°C ;
(4)過渡層制備關(guān)閉步驟(2)開動(dòng)的陰極多弧鈦靶，保持步驟(2)中Ar氣通入量，調(diào)節(jié)N2氣通入量使鍍膜爐真空室壓力增加到2. 1-5. OX 10—屮a ;聚焦HCD電子槍直流電弧于坩堝，HCD電子槍電流為130-160A ;蒸發(fā)坩鍋中純鈦3-7分鐘后關(guān)閉HCD電子槍，關(guān)閉Ar氣源；調(diào)節(jié)N2流量，保持真空壓力為0. 5-1. 5Pa，啟動(dòng)至少2個(gè)陰極多弧鈦靶，靶電流為80-90A :先對工件施加300-400V偏壓，施加5_10分鐘后；然后自300-400V偏壓逐漸降低到150V，降低偏壓過程持續(xù)10-20分鐘后關(guān)閉； (5)梯度層制備調(diào)節(jié)^和CA的通入量，保持鍍膜爐真空室內(nèi)壓力為 1. 0-1. 5X 10—屮a，啟動(dòng)3-4個(gè)陰極多弧Ti耙，靶電流70-80A ;按照以下順序依次調(diào)節(jié)氣體 通入量并對工件施加脈沖偏壓；首先調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pe， PN2=1 : 10，對工 件施加300V脈沖偏壓，施加4-10分鐘后關(guān)閉；然后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pe2H2 : PN2 = 2 : 10，對工件施加200-150V脈沖偏壓，施加4-10分鐘后關(guān)閉；隨后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保
持p^ : pn2 = 4 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加4-io分鐘后關(guān)閉；然后調(diào)節(jié)通入 氣體流量，保持Pc弧pn2 = 8 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加4-io分鐘后關(guān)閉；最 后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pc， pn2 = 9 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加4-io分
鐘后關(guān)閉； (6)表面層制備保持真空室內(nèi)壓力為1. 0-1. 5X 10—屮a，調(diào)節(jié)N2和C2H2的流量達(dá) 到P隱:PN2=1 : 1，開動(dòng)4個(gè)陰極多弧靶，靶電流降低至70A，對工件施加80-150V脈沖 偏壓，施加涂制時(shí)間10-30分鐘；涂制結(jié)束時(shí)真空室內(nèi)溫度低于400°C。
為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，步驟(2)所述的鍍膜爐真空度優(yōu)選為2.5X10—屮a;HCD 電子槍電流優(yōu)選為130-160A。 步驟(3)所述的鍍膜爐真空度優(yōu)選為2. 5X 10—屮a。 步驟(4)所述HCD槍電流優(yōu)選為140A ;蒸發(fā)坩鍋中純鈦5分鐘后關(guān)閉HCD電子槍。
步驟(6)表面層制備還包括TiCN頂層的氮化處理以獲得蘭灰色色彩，關(guān)閉C2H2， 關(guān)閉陰極多弧鈦靶后，保持N2通入量，調(diào)節(jié)Ar通入量，使真空室內(nèi)壓力增加到2. 0 X 10—中a， 啟動(dòng)HCD電子槍和鍍膜爐內(nèi)輔助加熱裝置，真空室內(nèi)溫度保持為TiCN涂層結(jié)束時(shí)的溫度30 分鐘，然后關(guān)閉Ar和HCD電子槍，繼續(xù)保持N2通入量直到鍍膜爐真空室溫度降低到70°C以 下。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) (1)所述制備過程中HCD電子槍用于加熱工件、清洗刻蝕試樣表面、作為Ti蒸發(fā)能 源。制備過程要求鍍膜爐真空室初始真空度< 5X 10—3Pa ;鍍膜爐真空室內(nèi)溫度為< 400°C， 不會(huì)對鐵基基體材料組織產(chǎn)生明顯影響。 (2)涂層與基體結(jié)合的過渡層TiN采用蒸發(fā)反應(yīng)與濺射反應(yīng)結(jié)合，避免了結(jié)合處 界面上較大尺寸熔滴顆粒的出現(xiàn)，通過后續(xù)高偏壓濺射，進(jìn)一步強(qiáng)化了該層同基體的結(jié)合 強(qiáng)度。 (3)從過渡層TiN到涂層頂層TiCN，碳含量逐漸增加，避免了涂層中較大的成分 突變。在沉積成分梯度過渡層Ti (C，hx)中保持真空度為1.0-1.5X10—中a，通過調(diào)制N2及 C2H2的分壓比控制涂層中含碳量。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，需要說明的是，實(shí)施例并不構(gòu)成對本
發(fā)明要求保護(hù)范圍的限制。 實(shí)施例1硬質(zhì)合金刀片的表面處理 應(yīng)用在鋼軌加工用環(huán)形硬質(zhì)合金刀片的TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層的制備 方法，包括如下步驟和工藝條件
(1)刀片預(yù)處理將刀片置于"強(qiáng)力"牌堿性金屬清洗液煮沸30分鐘表面除油；室 溫下將刀片置于盛有堿性金屬清洗液的超聲清洗機(jī)(頻率40kHz)中超聲處理5分鐘；將清 洗后的刀片放入純乙醇溶液脫水處理后置于12(TC的烘箱中干燥60分鐘；
(2)刀片預(yù)加熱將經(jīng)過預(yù)處理的刀片裝入Balzers公司生產(chǎn)的BD 802088BE真 空鍍膜爐中，抽真空達(dá)到5X10—卞a后，通入Ar氣，維持真空度為1-4X 10—中a，啟動(dòng)HCD電 子槍及爐體內(nèi)加熱裝置；控制HCD電子槍電流在160A ;HCD源的直流等離子體電弧直接照 射工具或模具表面，15分鐘后真空室溫度184°C。 (3)表面清洗刻蝕繼續(xù)保持鍍膜爐真空室內(nèi)壓力為2. 3X 10—屮a、調(diào)整HCD電子槍 電流為140A。按照以下順序依次開動(dòng)一定數(shù)量陰極多弧鈦靶，耙電流90A，并對工件施加偏 壓先啟動(dòng)2個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加800V脈沖偏壓，施加8分鐘后關(guān)閉；其后啟動(dòng)2 個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加600V脈沖偏壓，施加16分鐘后關(guān)閉；再啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦 靶，對工件施加400V脈沖偏壓，施加24分鐘后關(guān)閉。清洗結(jié)束真空室內(nèi)溫度259°C。
(4)過渡層制備關(guān)閉步驟(2)開動(dòng)的陰極多弧鈦靶，保持步驟(2)中Ar氣通入 量，調(diào)節(jié)N2氣通入量使鍍膜爐真空室壓力增加到3. OX 10—屮a ;聚焦HCD電子槍直流電弧于 坩堝，蒸發(fā)坩鍋中純鈦5分鐘后關(guān)閉HCD電子槍、Ar氣源；調(diào)節(jié)N2流量，保持真空壓力為 1Pa，按照以下順序依次啟動(dòng)陰極多弧鈦靶，靶電流為85A，并對工件施加偏壓先啟動(dòng)2個(gè) 陰極多弧鈦靶，對工件施加400V脈沖偏壓，施加8分鐘后關(guān)閉；隨后啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦 靶，對工件施加300V脈沖偏壓，施加2分鐘后關(guān)閉；再啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加 250V脈沖偏壓，施加5分鐘后關(guān)閉；再啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加200V脈沖偏壓， 施加5分鐘后關(guān)閉；再啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加150V脈沖偏壓，施加5分鐘后關(guān) 閉。 (5)梯度層制備調(diào)節(jié)^和(]2112的通入量，保持鍍膜爐真空室內(nèi)總壓力為 1.5X10—屮a，按照以下順序啟動(dòng)陰極多弧鈦靶，并對工件施加偏壓，靶電流80A;首先調(diào)節(jié)
通入氣體流量，保持Pc， pn2 = i : 10，對工件施加300v脈沖偏壓，施加8分鐘后關(guān)閉； 然后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pe， pn2 = 2 : 10，對工件施加200v脈沖偏壓，施加4分鐘
后，調(diào)整工件偏壓為150V，繼續(xù)施鍍4分鐘后關(guān)閉；隨后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pe， PN2 =4 : IO，對工件施加150V脈沖偏壓，施加8分鐘后關(guān)閉；然后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持
pc2h2 : pn2 = 8 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加8分鐘后關(guān)閉；最后調(diào)節(jié)通入氣體流 量，保持Pc2H2 : pn2 = 9 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加4分鐘后關(guān)閉。 (6)表面層制備保持真空室內(nèi)壓力為1.5X10—屮￡1，調(diào)節(jié)^和(:2112的流量達(dá)到 PC2H2 : PN2=1 : 1，開動(dòng)4個(gè)陰極多弧鈦靶，靶電流降低至70A，對工件施加150V脈沖偏壓， 施加20分鐘；涂制結(jié)束時(shí)鍍膜爐真空室內(nèi)溫度383°C。關(guān)掉電弧和所有氣源，冷卻至真空 室內(nèi)溫度7(TC后出爐。 所得涂層外觀呈紫紅色，球磨痕跡測試涂層的總厚度為4. 3 ii m ;NANO力學(xué)探針測
試涂層硬度為31. OlGPa ;聲發(fā)射劃痕儀測試涂層-基體結(jié)合力73N。 實(shí)施例2高Co含量高速鋼揪樹型銑刀(①25)修磨后表面重涂 銑刀用于加工汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子根槽，原銑刀自日本進(jìn)口的SG型銑刀，使用后對刃口重
新修磨，表面涂制TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層，包括如下步驟和工藝條件 (1)銑刀預(yù)處理將銑刀置于"強(qiáng)力"牌堿性金屬清洗液煮沸120分鐘表面除油；室溫下將銑刀置于盛有堿性金屬清洗液的超聲清洗機(jī)(頻率40kHz)中超聲處理5分鐘；將 清洗后的銑刀放入純乙醇溶液脫水處理后置于12(TC的烘箱中干燥60分鐘；
(2)銑刀預(yù)加熱將經(jīng)過預(yù)處理的銑刀裝入Balzers公司生產(chǎn)的BD 802088BE真 空鍍膜爐中，抽真空達(dá)到5X 10—3Pa后，通入Ar氣，維持真空度為2. 5X 10—中a，啟動(dòng)HCD電 子槍及爐體內(nèi)加熱裝置；控制HCD電子槍電流在130A ;HCD源的直流等離子體電弧直接照 射工具或模具表面，20分鐘后真空室溫度134°C。 (3)表面清洗刻蝕繼續(xù)保持鍍膜爐真空室內(nèi)壓力為2. 5X 10—中a、HCD電子槍電流 為130A。按照以下順序依次開動(dòng)一定數(shù)量陰極多弧鈦靶，靶電流90A，并對工件施加偏壓 先啟動(dòng)2個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加800V脈沖偏壓，施加4分鐘后關(guān)閉；其后啟動(dòng)2個(gè)陰 極多弧鈦靶，對工件施加600V脈沖偏壓，施加10分鐘后關(guān)閉；再啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦靶，對 工件施加400V脈沖偏壓，施加30分鐘后關(guān)閉。清洗結(jié)束真空室內(nèi)溫度207°C。
(4)過渡層制備關(guān)閉步驟(3)開動(dòng)的陰極多弧鈦靶，保持步驟(3)中Ar氣通入 量，調(diào)節(jié)N2氣通入量使鍍膜爐真空室壓力增加到3. OX 10—屮a ;聚焦HCD電子槍直流電弧于 坩堝，蒸發(fā)坩鍋中純鈦5分鐘后關(guān)閉HCD電子槍、Ar氣源；調(diào)節(jié)N2流量，保持真空壓力為 1. 5Pa，按照以下順序依次啟動(dòng)陰極多弧鈦靶，靶電流為80A，并對工件施加偏壓先啟動(dòng)2 個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加300V脈沖偏壓，施加5分鐘后關(guān)閉；隨后啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦 靶，對工件施加250V脈沖偏壓，施加5分鐘后關(guān)閉。再啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加 200V脈沖偏壓，施加5分鐘后關(guān)閉；再啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加150V脈沖偏壓， 施加5分鐘后關(guān)閉。 (5)梯度層制備調(diào)節(jié)^和(:2112的通入量，保持鍍膜爐真空室內(nèi)總壓力為 1.0X10—屮a，按照以下順序啟動(dòng)陰極多弧鈦靶，并對工件施加偏壓，靶電流80A;首先調(diào)節(jié) 通入氣體流量，保持Pc， PN2=1 : 10，對工件施加250V脈沖偏壓，施加8分鐘后關(guān)閉；
然后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pe， pn2 = 2 : 10，對工件施加200v脈沖偏壓，施加4分鐘
后，調(diào)整工件偏壓為150V，繼續(xù)施鍍4分鐘后關(guān)閉；隨后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pe， PN2 =4 : IO，對工件施加150V脈沖偏壓，施加8分鐘后關(guān)閉；然后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持
pc2h2 : pn2 = 8 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加8分鐘后關(guān)閉；最后調(diào)節(jié)通入氣體流 量，保持Pc2H2 : pn2 = 9 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加4分鐘后關(guān)閉。 (6)表面層制備保持真空室內(nèi)壓力為1.5X10—屮￡1，調(diào)節(jié)^和(:2112的流量達(dá)到 PC2H2 : PN2=1 : 1，開動(dòng)4個(gè)陰極多弧鈦靶，靶電流為70A，對工件施加150V脈沖偏壓，施 加10分鐘；涂制結(jié)束時(shí)鍍膜爐真空室內(nèi)溫度247°C。關(guān)閉(:2112，關(guān)閉陰極多弧鈦靶后，保持 N2通入量，調(diào)節(jié)Ar通入量，使真空室內(nèi)壓力增加2. OX 10—中a，啟動(dòng)HCD電子槍和鍍膜爐內(nèi) 輔助加熱裝置，真空室內(nèi)溫度仍然保持為247°C 30分鐘，然后關(guān)閉Ar和HCD電子槍，繼續(xù)保 持N2通入量直到鍍膜爐真空室溫度降低到7(TC后出爐。 所得涂層外觀呈灰色泛蘭，球磨痕跡測試涂層的總厚度為3. 7 ii m ;NANO力學(xué)探針 測試涂層硬度為30. 4GPa ;聲發(fā)射劃痕儀測試涂層_基體結(jié)合力58N。
實(shí)施例3冷作模具鋼SKD1合金試片表面處理 實(shí)驗(yàn)用SKD1牌號(hào)合金(淬火+回火處理后洛氏硬度為HRC63)切割成為 10X10X20 (mm)的矩形樣品，并將其中一面經(jīng)研磨、拋光處理，以便涂層處理后測試相關(guān)性
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(1)樣品銑刀預(yù)處理將樣品置于"強(qiáng)力"牌堿性金屬清洗液煮沸60分鐘表面除 油；室溫下將樣品置于盛有堿性金屬清洗液的超聲清洗機(jī)(頻率40kHz)中超聲處理10分 鐘；將清洗后的銑刀放入純乙醇溶液脫水處理后置于12(TC的烘箱中干燥60分鐘；
(2)樣品預(yù)加熱將經(jīng)過預(yù)處理的樣品裝入Balzers公司生產(chǎn)的BD 802088BE真 空鍍膜爐中，抽真空達(dá)到5X10—卞a后，通入Ar氣，維持真空度為2. OX 10—中a，啟動(dòng)HCD電 子槍及爐體內(nèi)加熱裝置；控制HCD電子槍電流在110A ;HCD源的直流等離子體電弧直接照 射工具或模具表面，30分鐘后真空室溫度112°C。 (3)表面清洗刻蝕繼續(xù)保持鍍膜爐真空室內(nèi)壓力為2. OX 10—屮a、調(diào)整HCD電子槍 電流為120A。按照以下順序依次開動(dòng)一定數(shù)量陰極多弧鈦靶，靶電流80A，并對工件施加偏 壓先啟動(dòng)1個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加800V脈沖偏壓，施加2分鐘后關(guān)閉；其后啟動(dòng)2 個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加600V脈沖偏壓，施加13分鐘后關(guān)閉；再啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦 靶，對工件施加400V脈沖偏壓，施加30分鐘后關(guān)閉。清洗結(jié)束真空室內(nèi)溫度165°C。
(4)過渡層制備關(guān)閉步驟(2)開動(dòng)的陰極多弧鈦靶，保持步驟(2)中Ar氣通入 量，調(diào)節(jié)K氣通入量使鍍膜爐真空室壓力增加到2. 3X10—屮a ;調(diào)整HCD電子槍電流為130A 并聚焦直流電弧于坩堝，蒸發(fā)坩鍋中純鈦5分鐘后關(guān)閉HCD電子槍、Ar氣源；調(diào)節(jié)N2流量， 保持真空壓力為1. 5Pa，按照以下順序依次啟動(dòng)陰極多弧鈦靶，靶電流為80A，并對工件施 加偏壓先啟動(dòng)2個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加300V脈沖偏壓，施加IO分鐘后關(guān)閉；隨后啟 動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施加250V脈沖偏壓，施加2分鐘后關(guān)閉；再啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧 鈦靶，對工件施加200V脈沖偏壓，施加4分鐘后關(guān)閉；再啟動(dòng)3個(gè)陰極多弧鈦靶，對工件施 加150V脈沖偏壓，施加4分鐘后關(guān)閉。 (5)梯度層制備調(diào)節(jié)^和(]2112的通入量，保持鍍膜爐真空室內(nèi)總壓力為 1.3X10—屮a，按照以下順序啟動(dòng)陰極多弧鈦靶，并對工件施加偏壓，靶電流80A;首先調(diào)節(jié) 通入氣體流量，保持Pc， PN2=1 : 10，對工件施加250V脈沖偏壓，施加4分鐘后關(guān)閉；
然后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pe， pn2 = 2 : 10，對工件施加200v脈沖偏壓，施加4分鐘
后，調(diào)整工件偏壓為150V，繼續(xù)施鍍4分鐘后關(guān)閉；隨后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pe， PN2 =4 : IO，對工件施加150V脈沖偏壓，施加4分鐘后關(guān)閉；然后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持
pc2h2 : pn2 = 8 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加4分鐘后關(guān)閉；最后調(diào)節(jié)通入氣體流 量，保持Pc2H2 : pn2 = 9 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加6分鐘后關(guān)閉。 (6)表面層制備保持真空室內(nèi)壓力為1.3X10—屮￡1，調(diào)節(jié)^和(:2112的流量達(dá)到 PC2H2 : PN2=1 : 1，開動(dòng)4個(gè)陰極多弧鈦靶，靶電流為70A，對工件施加150V脈沖偏壓，施 加20分鐘；涂制結(jié)束時(shí)鍍膜爐真空室內(nèi)溫度188°C。關(guān)閉C2H2， 、Nw。和陰極多弧鈦靶后，鍍 膜爐真空室溫度降低到7(TC后出爐。 所得涂層外觀呈紫色，球磨痕跡測試涂層的總厚度為2. 3 ii m ;NANO力學(xué)探針測試 涂層硬度為29. 2GPa ;聲發(fā)射劃痕儀測試涂層_基體結(jié)合力60N。
權(quán)利要求
一種TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層，其特征在于該納米梯度復(fù)合多層涂層是在硬紙合金、洛氏硬度超過HRC60的鐵基工具或模具基體上，依次由TiN膜、梯度變化Ti(CxN1-x)膜和TiCN膜組成結(jié)構(gòu)為TiN/Ti(CxN1-x)/Ti(CN)納米復(fù)合多層涂層，其中x＝0-0.5。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層，其特征在于TiN/ Ti (C，卜X)/Ti (CN)納米復(fù)合多層涂層的最內(nèi)層TiN厚度占涂層總厚度的5-10%，Ti (CA—x) 占涂層總厚度的50-80%，最外層Ti(CN)占涂層總厚度的10-40%。
3. 權(quán)利l要求所述TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層的制備方法，其特征在于包括如下 步驟和工藝條件(1) 表面預(yù)處理將工具或模具置于堿性金屬清洗液煮沸30-120分鐘表面除油；室溫下將工具或模具置于盛有堿性金屬清洗液的超聲清洗機(jī)中超聲處理5-15分鐘；將清洗后的工具或模具放入純乙醇溶液脫水處理后干燥；(2) 預(yù)加熱將經(jīng)過預(yù)處理的工具或模具裝入鍍膜爐中，抽真空達(dá)到5X10—卞a后，通入 Ar氣，維持真空度為2. 0-4. 0X10—屮a，啟動(dòng)HCD電子槍及爐體內(nèi)加熱裝置；HCD電子槍起弧 后，控制HCD電子槍電流在110-180A ;HCD源的直流等離子體電弧直接照射工具或模具表 面，直到真空室內(nèi)達(dá)到IO(TC -200°C ;(3) 表面清洗刻蝕通入Ar維持鍍膜爐真空室壓力為2-4X10—屮a，調(diào)整HCD槍電流為 120-140A ;對工件施加300-800V脈沖偏壓；啟動(dòng)1_3個(gè)陰極多弧鈦耙，濺射出來的鈦離子 在電場作用下轟擊工具或模具表面；在高能電子和金屬離子共同作用下清洗和刻蝕表面， 清洗刻蝕工具或模具45-60分鐘，鍍膜爐真空室室內(nèi)溫度不超過300°C ;(4) 過渡層制備關(guān)閉步驟(2)開動(dòng)的陰極多弧鈦靶，保持步驟(2)中Ar氣通入量，調(diào) 節(jié)^氣通入量使鍍膜爐真空室壓力增加到2. 1-5. OX 10—屮a ;聚焦HCD電子槍直流電弧于坩 堝，HCD電子槍電流為130-160A;蒸發(fā)坩鍋中純鈦3-7分鐘后關(guān)閉HCD電子槍，關(guān)閉Ar氣源； 調(diào)節(jié)N2流量，保持真空壓力為0. 5-1. 5Pa，啟動(dòng)至少2個(gè)陰極多弧鈦靶，靶電流為80-90A : 先對工件施加300-400V偏壓，施加5-10分鐘后；然后自300-400V偏壓逐漸降低到150V， 降低偏壓過程持續(xù)10-20分鐘后關(guān)閉；(5) 梯度層制備調(diào)節(jié)N2和C2H2的通入量，保持鍍膜爐真空室內(nèi)壓力為 1.0-1. 5X10—屮a，啟動(dòng)3-4個(gè)陰極多弧Ti耙，靶電流70-80A ;按照以下順序依次調(diào)節(jié)氣體 通入量并對工件施加脈沖偏壓；首先調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pe， PN2=1 : 10，對工 件施加300V脈沖偏壓，施加4-10分鐘后關(guān)閉；然后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pe2H2 : PN2 = 2 : 10，對工件施加200-150V脈沖偏壓，施加4-10分鐘后關(guān)閉；隨后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持p^ : pn2 = 4 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加4-io分鐘后關(guān)閉；然后調(diào)節(jié)通入 氣體流量，保持Pc弧pn2 = 8 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加4-io分鐘后關(guān)閉；最 后調(diào)節(jié)通入氣體流量，保持Pc， pn2 = 9 : io，對工件施加150v脈沖偏壓，施加4-io分鐘后關(guān)閉；(6) 表面層制備保持真空室內(nèi)壓力為1.0-1.5X10—屮a，調(diào)節(jié)N2和C2H2的流量達(dá)到 PC2H2 : PN2=1 : 1，開動(dòng)4個(gè)陰極多弧靶，靶電流降低至70A，對工件施加80-150V脈沖偏 壓，施加涂制時(shí)間10-30分鐘；涂制結(jié)束時(shí)真空室內(nèi)溫度低于40(TC。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層的制備方法，其特征在于 步驟(2)所述的鍍膜爐真空度為2. 5x10—屮a ;HCD電子槍電流為130_160A。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層的制備方法，其特征在于 步驟(3)所述的鍍膜爐真空度為2. 5x10—屮a。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層的制備方法，其特征在于 步驟(4)所述HCD槍電流為140A ;蒸發(fā)坩鍋中純鈦5分鐘后關(guān)閉HCD電子槍。
7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層的制備方法，其特征在于 步驟(6)表面層制備還包括TiCN頂層的氮化處理以獲得蘭灰色色彩，關(guān)閉(^H2，關(guān)閉陰極多 弧鈦靶后，保持N2通入量，調(diào)節(jié)Ar通入量，使真空室內(nèi)壓力增加到2. 0x10—屮a，啟動(dòng)HCD電 子槍和鍍膜爐內(nèi)輔助加熱裝置，真空室內(nèi)溫度保持為TiCN涂層結(jié)束時(shí)的溫度30分鐘，然后 關(guān)閉Ar和HCD電子槍，繼續(xù)保持N2通入量直到鍍膜爐真空室溫度降低到70°C以下。
全文摘要
本發(fā)明公開一種TiCN系列納米梯度復(fù)合多層涂層及其制備方法，該納米梯度復(fù)合多層涂層是在硬紙合金、洛氏硬度超過HRC60的鐵基工具或模具基體上，依次由TiN膜、梯度變化Ti(CxN1-x)膜和TiCN膜組成結(jié)構(gòu)為TiN/Ti(CxN1-x)/Ti(CN)納米復(fù)合多層涂層，其中x＝0-0.5。本發(fā)明的涂層制備方法包括表面預(yù)處理、預(yù)加熱、表面清洗刻蝕、過渡層制備、梯度層制備和表面層制備等步驟。本發(fā)明制備的涂層硬度HV達(dá)到28-32GPa，涂層同基體結(jié)合力超過55N，提高了TiCN系列涂層同基體的結(jié)合力和耐磨性，提高了工、模具的工作效率和使用壽命。
文檔編號(hào)C23C14/58GK101712215SQ200910193489
公開日2010年5月26日 申請日期2009年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者彭繼華 申請人:華南理工大學(xué)