專利名稱：硬質(zhì)涂層及其制備方法及具有該涂層的被覆件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)涂層及其制備方法及具有該硬質(zhì)涂層的被覆件。
背景技術(shù)：
鍍膜工藝在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其中，TiN薄膜鍍覆在刀具或模具表面能大幅提高刀具和模具的使用壽命。然而，隨著金屬切削加工朝高切削速度、高進(jìn)給速度、高可靠性、長壽命、高精度和良好的切削控制性方面發(fā)展，對表面涂層的性能提出了更高的要求。TiN涂層在硬度、耐磨損、抗氧化燒蝕性等方面已經(jīng)漸漸不能滿足進(jìn)一步的需求。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種耐磨損、耐高溫的硬質(zhì)涂層。另外，有必要提供一種上述硬質(zhì)涂層的制備方法。還有必要提供一種具有上述硬質(zhì)涂層的被覆件。一種硬質(zhì)涂層，形成于硬質(zhì)基體表面上，該硬質(zhì)涂層主要由鈦-硅-氮三組元構(gòu)成，該硬質(zhì)涂層中鈦原子的含量由靠近該基體至遠(yuǎn)離該基體的方向呈梯度減少，硅原子的含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度增加?！N被覆件，包括一硬質(zhì)基體及形成于該基體上的硬質(zhì)涂層，該硬質(zhì)涂層主要由鈦-硅_氮三組元構(gòu)成，該硬質(zhì)涂層中鈦原子的含量由靠近該基體至遠(yuǎn)離該基體的方向呈梯度減少，硅原子的含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度增加。一種硬質(zhì)涂層的制備方法，包括以下步驟將承鍍基體放入一電弧離子鍍膜機(jī)中，將純鈦靶材和純硅靶材間隔地置于電弧離子鍍膜機(jī)的弧源位置上；對電弧離子鍍膜機(jī)的真空室抽真空后通入氬氣和反應(yīng)氣體氮?dú)?，調(diào)節(jié)偏壓至-150 -500V，開啟鈦靶，并調(diào)節(jié)鈦靶電流為70 100A，同時開啟硅靶，并在預(yù)定時間內(nèi)，將硅靶電流從40 50A逐步增加至70 100A后維持不變，在預(yù)定時間內(nèi)，逐步將鈦靶電流從70 100A降低至30 50A，由此在承鍍基體上沉積出一主要由鈦-硅-氮三組元構(gòu)成的硬質(zhì)涂層，該硬質(zhì)涂層中鈦原子的含量隨著該涂層厚度的增加而逐漸減少，硅原子的含量隨著該涂層厚度的增加而增加。相較于現(xiàn)有技術(shù)，上述硬質(zhì)涂層與基體結(jié)合處鈦原子含量較高，涂層主要表現(xiàn)為 TiN相，而TiN具有與高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷等高硬度的基體材料匹配良好的熱膨脹系數(shù)，因此界面處內(nèi)應(yīng)力小，界面結(jié)合優(yōu)良；該硬質(zhì)涂層表層硅原子含量較高，涂層主要表現(xiàn)為SiN相，SiN硬度較高，導(dǎo)熱率低。上述硬質(zhì)涂層的制備方法通過調(diào)節(jié)Ti靶的電流在沉積過程中遞減，調(diào)節(jié)Si靶的電流在沉積過程中遞增，使涂層成分也隨著涂層沉積厚度變化而呈梯度變化，即使得硬質(zhì)涂層與基體結(jié)合處TiN含量較高，與基體結(jié)合良好；硬質(zhì)涂層表面SiN含量高，因此涂層硬度高，耐磨損。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明較佳實(shí)施例的硬質(zhì)涂層主要由鈦-硅-氮三組元構(gòu)成，該硬質(zhì)涂層形成在各類切削刀具、精密量具及模具等硬質(zhì)基體的表面。在該硬質(zhì)涂層中，鈦原子的個數(shù)含量隨著該涂層厚度的增加而逐漸減少，即鈦原子在該硬質(zhì)涂層中的個數(shù)含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度減少；硅原子的個數(shù)含量隨著該涂層厚度的增加而增加，即硅原子在該硬質(zhì)涂層中的個數(shù)含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度增加；而氮原子的含量基本不變。若將該硬質(zhì)涂層的組成用TixSihN表示，以鈦原子和硅原子個數(shù)的總量為100%，x表示鈦原子個數(shù)占鈦原子和硅原子個數(shù)總量的百分?jǐn)?shù)，則其中χ的值隨該硬質(zhì)涂層的厚度的增加而逐漸減少，且20% < χ ^ 80%，較佳地，30%< χ < 60%。該硬質(zhì)涂層的厚度為1 8 μ m，優(yōu)選3 5 μ m。該硬質(zhì)涂層的顯微硬度為40GPa 以上。上述硬質(zhì)涂層的涂層組分成梯度變化，與基體結(jié)合處鈦原子含量較高，涂層主要表現(xiàn)為TiN相，而TiN具有與高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷等高硬度的基體材料匹配良好的熱膨脹系數(shù)，因此界面處內(nèi)應(yīng)力小，界面結(jié)合優(yōu)良；該硬質(zhì)涂層表層硅原子含量較高，涂層主要表現(xiàn)為SiN相，SiN硬度較高，導(dǎo)熱率低，當(dāng)該硬質(zhì)涂層用于切削刀具時，在切削過程中向刀具基體傳熱少，加之SiN本身具有較好的高溫潤滑性，因此可使刀具具有優(yōu)良的綜合切削性能。具有上述硬質(zhì)涂層的被覆件包括該硬質(zhì)基體及形成在該硬質(zhì)基體上的一硬質(zhì)涂層。該被覆件可以為各類切削刀具、精密量具及模具等。該硬質(zhì)基體可以為高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、燒結(jié)金剛石等硬度較高的材料。該硬質(zhì)涂層具有如上所述特征。下面以電弧離子鍍合成上述硬質(zhì)涂層的方法為例，對該硬質(zhì)涂層的制備方法進(jìn)行說明。該硬質(zhì)涂層的制備方法主要包括如下步驟(1)對承鍍基體進(jìn)行表面化學(xué)超聲波清洗，即將承鍍基體放入盛裝有乙醇及/或丙酮溶液的超聲波清洗器中進(jìn)行震動清洗，以除去承鍍基體表面的雜質(zhì)和油污等，清洗完畢后烘干備用。所述基體材質(zhì)可以為高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷等。(2)將經(jīng)上述清洗的承鍍基體放入一電弧離子鍍膜機(jī)中，將純鈦靶材和純硅靶材相間隔地置于電弧離子鍍膜機(jī)的弧源位置上。(3)對電弧離子鍍膜機(jī)的真空室抽真空至10_3Pa級(本實(shí)施例為3. OX I(T3Pa)， 通入流量為300sCCm(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)毫升/分鐘)高純氬氣，并通入流量為200 280SCCm的反應(yīng)氣體氮?dú)?，使真空室?nèi)壓力達(dá)0.1 2Pa。所述氮?dú)饬髁績?yōu)選為240sCCm。調(diào)節(jié)偏壓至-150 -250V。開啟鈦靶，并調(diào)節(jié)鈦靶電流為70 100A，同時開啟硅靶，并在30 40 分鐘內(nèi)，將硅靶電流從40 50A均勻增加至70 100A。維持硅靶電流在70 100A，在 20 30分鐘內(nèi)，逐步將鈦靶電流從70 100A均勻降低至30 50A，由此在承鍍基體上沉積出一硬質(zhì)涂層。該硬質(zhì)涂層具有如上所述特征。沉積過程中，氮?dú)獾牧髁勘３植蛔儯雇繉又械拥暮炕静蛔儭?4)關(guān)閉負(fù)偏壓及鈦靶和硅靶電流，停止通入氬氣和氮?dú)猓鲇操|(zhì)涂層冷卻后，向真空室內(nèi)通入空氣，打開真空室門，取出鍍覆好的基體。上述硬質(zhì)涂層的制備方法通過調(diào)節(jié)鈦靶的電流在沉積過程中遞減，調(diào)節(jié)硅靶的電流在沉積過程中遞增，使涂層成分也隨著涂層沉積厚度變化而呈梯度變化，即使得硬質(zhì)涂層與基體結(jié)合處(即涂層初始沉積處)TiN含量較高，與基體結(jié)合良好；該硬質(zhì)涂層表面 SiN含量高，因此涂層硬度高，耐磨損。 可以理解，上述硬質(zhì)涂層的制備方法還可包括沉積涂層前，在電弧離子鍍膜機(jī)內(nèi)對承鍍基體進(jìn)行離子清洗。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)涂層，形成于硬質(zhì)基體表面上，該硬質(zhì)涂層主要由鈦-硅-氮三組元構(gòu)成， 其特征在于該硬質(zhì)涂層中鈦原子的個數(shù)含量由靠近該基體至遠(yuǎn)離該基體的方向呈梯度減少，硅原子的個數(shù)含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度增加。
2.如權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)涂層，其特征在于該硬質(zhì)涂層中鈦原子個數(shù)占鈦原子和硅原子個數(shù)總量的百分?jǐn)?shù)為20% 80%。
3.如權(quán)利要求2所述的硬質(zhì)涂層，其特征在于該硬質(zhì)涂層中鈦原子個數(shù)的占鈦原子和硅原子個數(shù)總量的百分?jǐn)?shù)為30% 60%。
4.如權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)涂層，其特征在于該硬質(zhì)涂層中氮原子的含量不變。
5.如權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)涂層，其特征在于該硬質(zhì)涂層的厚度為1 8μπι。
6.一種被覆件，包括一硬質(zhì)基體及形成于該基體上的硬質(zhì)涂層，該硬質(zhì)涂層主要由鈦-硅-氮三組元構(gòu)成，其特征在于該硬質(zhì)涂層中鈦原子的含量由靠近該基體至遠(yuǎn)離該基體的方向呈梯度減少，硅原子的含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度增加。
7.如權(quán)利要求6所述的被覆件，其特征在于該被覆件為切削刀具、精密量具及模具中的一種。
8.如權(quán)利要求6所述的被覆件，其特征在于該基體為高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷及燒結(jié)金剛石中的一種。
9.如權(quán)利要求6所述的被覆件，其特征在于該硬質(zhì)涂層中鈦原子個數(shù)占鈦原子和硅原子個數(shù)總量的百分?jǐn)?shù)為20% 80%。
10.一種硬質(zhì)涂層的制備方法，包括以下步驟將承鍍基體放入一電弧離子鍍膜機(jī)中，將純鈦靶材和純硅靶材間隔地置于電弧離子鍍膜機(jī)的弧源位置上；對電弧離子鍍膜機(jī)的真空室抽真空后通入氬氣和反應(yīng)氣體氮?dú)?，調(diào)節(jié)偏壓至-150 250V，開啟鈦靶，并調(diào)節(jié)鈦靶電流為70 100Α，同時開啟硅靶，并在預(yù)定時間內(nèi)，將硅靶電流從40 50Α逐步增加至70 100Α后維持不變，在預(yù)定時間內(nèi)，逐步將鈦靶電流從70 100Α降低至30 50Α，由此在承鍍基體上沉積出一主要由鈦-硅-氮三組元構(gòu)成的硬質(zhì)涂層，該硬質(zhì)涂層中鈦原子的含量隨著該涂層厚度的增加而逐漸減少，硅原子的含量隨著該涂層厚度的增加而增加。
11.如權(quán)利要求10所述的硬質(zhì)涂層的制備方法，其特征在于所述真空室抽真空后的真空度為10_3Pa級；通入所述氬氣的流量為300SCCm，通入所述氮?dú)獾牧髁繛?00 280sccmo
12.如權(quán)利要求11所述的硬質(zhì)涂層的制備方法，其特征在于所述氮?dú)饬髁繛?240sccmo
13.如權(quán)利要求10所述的硬質(zhì)涂層的制備方法，其特征在于所述硅靶電流從40 50A逐步增加至70 100A所需的時間為30 40分鐘，所述鈦靶電流從70 100A均勻降低至30 50A所需的時間為20 30分鐘。
14.如權(quán)利要求10所述的硬質(zhì)涂層的制備方法，其特征在于該硬質(zhì)涂層中鈦原子個數(shù)占鈦原子和硅原子個數(shù)總量的百分?jǐn)?shù)為20% 80%。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硬質(zhì)涂層，形成于硬質(zhì)基體表面上，該硬質(zhì)涂層主要由鈦-硅-氮三組元構(gòu)成，該硬質(zhì)涂層中鈦原子的含量由靠近該基體至遠(yuǎn)離該基體的方向呈梯度減少，硅原子的含量由靠近基體至遠(yuǎn)離基體的方向呈梯度增加。本發(fā)明還提供一種上述硬質(zhì)涂層的制備方法及具有該硬質(zhì)涂層的被覆件。
文檔編號C23C14/24GK102296271SQ201010208780
公開日2011年12月28日 申請日期2010年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月24日
發(fā)明者張新倍, 彭立全, 蔣煥梧, 陳文榮, 陳正士 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司