專利名稱：硬質(zhì)涂層、具有該涂層的被覆件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)涂層、具有該硬質(zhì)涂層的被覆件及該被覆件的制備方法。
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)漸漸不能滿足進一步的需求。在TiN涂層的基礎(chǔ)上加入Cr、Al等金屬元素可以進一步提高其硬度和抗氧化性， 其中TiAlN涂層的硬度和高溫抗氧化能力均較TiN涂層有很大提高，成為目前最常用的刀具涂層材料。但是，普通的TiAlN涂層HV硬度為30士5GPa，抗氧化溫度為800°C，已經(jīng)不能很好的滿足不銹鋼等難于加工材料的高速切削。提高TiAlN涂層中Al的含量可以提高涂層的硬度和抗氧化性能，但是過高的Al含量會導(dǎo)致涂層的力學(xué)性能急劇下降。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種高溫抗氧化性能好、耐磨損的硬質(zhì)涂層。另外，有必要提供一種具有上述硬質(zhì)涂層的被覆件。還有必要提供一種上述被覆件的制備方法?！N硬質(zhì)涂層，該硬質(zhì)涂層包括一納米復(fù)合層，該納米復(fù)合層包括若干TiN層和若干SiCN層，所述TiN層和SiCN層交替排布。一種被覆件，包括一硬質(zhì)基體、形成于該基體上的結(jié)合層及形成于該結(jié)合層上的硬質(zhì)涂層，該硬質(zhì)涂層包括一納米復(fù)合層，該納米復(fù)合層包括若干TiN層和若干SiCN層，所述TiN層和SiCN層交替排布。一種具有硬質(zhì)涂層的被覆蓋件的制備方法，包括以下步驟將承鍍基體放入一多靶磁控濺射設(shè)備的轉(zhuǎn)架上，在該多靶磁控濺射設(shè)備內(nèi)安裝鈦靶和硅靶；在該多靶磁控濺射設(shè)備內(nèi)濺射清洗鈦靶和硅靶，使鈦靶和硅靶表層原子濺射出來，以除去雜質(zhì)；在基體上濺射一結(jié)合層；在該結(jié)合層上濺射一 TiN層；在該TiN層上反應(yīng)式濺射一 SiCN層；重復(fù)上述濺射TiN層和濺射SiCN層的步驟，以在基體上沉積由若干TiN層和若干 SiCN層交替形成的納米復(fù)合層。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的硬質(zhì)涂層由多層TiN層和SiCN層交替形成，具有多晶超晶格結(jié)構(gòu)，存在超硬效應(yīng)，耐磨性能好，而且在約800°C下使用不易氧化，具有較好的高溫抗氧化性能。


圖1為本發(fā)明較佳實施例的硬質(zhì)涂層的剖視示意圖。圖2為本發(fā)明較佳實施例的被覆件的剖視圖。主要元件符號說明硬質(zhì)涂層10納米復(fù)合層12TiN 層122SiCN 層124基體20結(jié)合層30被覆件40
具體實施例方式請參閱圖1，本發(fā)明較佳實施例的硬質(zhì)涂層10包括一納米復(fù)合層12，該納米復(fù)合層12包括若干TiN層122和若干SiCN層124。所述TiN層122和SiCN層124交替排布。所述TiN層122和SiCN層124可通過磁控濺射的方法形成。該TiN層122的層數(shù)可為200 250層，該SiCN層124的層數(shù)可為200 250層。每一 TiN層122和與其相鄰的SiCN層124的厚度之和大約為5 15納米。該硬質(zhì)涂層10的總厚度大約為2 5 微米。請參閱圖2，具有上述硬質(zhì)涂層10的被覆件40包括該硬質(zhì)基體20、形成于該基體20的一結(jié)合層30及形成于該結(jié)合層30上的硬質(zhì)涂層10。該硬質(zhì)涂層10具有如上所述結(jié)構(gòu)。該基體20的材質(zhì)可以為高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷、不銹鋼、鎂合金及鋁合金等。該被覆件40可以為各類切削刀具、精密量具、模具、電子產(chǎn)品外殼及各種建筑裝飾件寸。該結(jié)合層30為一鈦金屬層，其厚度為0.05 0.2 μ m，優(yōu)選為0. 1 μ m。該結(jié)合層 30通過磁控濺射法沉積形成。該結(jié)合層30用于提高硬質(zhì)涂層10與基體20之間的結(jié)合力。具有上述硬質(zhì)涂層10的被覆件40的制備方法，主要包括如下步驟對承鍍基體20進行清洗。該步驟可將基體20放入盛裝有乙醇及/或丙酮溶液的超聲波清洗器中進行震動清洗，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。 將經(jīng)上述清洗的基體20放入一多靶磁控濺射設(shè)備的轉(zhuǎn)架上，在該多靶磁控濺射設(shè)備內(nèi)同時安裝純鈦靶和純硅靶。濺射清洗鈦靶和硅靶。該濺射清洗的具體操作及工藝參數(shù)為對該多靶磁控濺射設(shè)備的真空室抽真空至2X 10_3 8. OX 10_3pa，通入氬氣為離子源氣體，用擋板將基體與靶材隔開，防止基體被濺鍍。開啟鈦靶和硅靶電源，電流分別為60A和45A，調(diào)節(jié)偏壓為-100 -200伏，濺射清洗鈦靶和硅靶5 20分鐘。該步驟是利用離子源轟擊靶材，使鈦靶和硅靶表層原子濺射出來，以除去靶材表層可能存在的氧化物等雜質(zhì)。清洗靶材的同時應(yīng)避免濺射出來的靶材原子沉積到基體20上，因此用擋板將基體20與靶材隔開。
在基體20上濺射該結(jié) 合層30。調(diào)節(jié)氬氣流量為100 300sCCm(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)毫升/ 分鐘)，調(diào)節(jié)偏壓至-150 -500V ；開啟鈦靶，電流為60 70A，對基體20預(yù)濺射3 5分鐘，以形成該鈦金屬結(jié)合層30。在結(jié)合層30上濺射一 TiN層122。保持氬氣流量不變，向真空室通入流量為20 IOOsccm的氮氣，調(diào)節(jié)基體20偏壓為-150 -500伏，開啟鈦靶電源，電流為40 70安培， 設(shè)置所述轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)速為1 3rpm(revolution per minute，轉(zhuǎn)/分鐘)，對基體20進行濺射2 3分鐘，以在基體20上沉積一 TiN層122。在所述TiN層122上反應(yīng)式濺射一 SiCN層124。關(guān)閉所述鈦靶電流，開啟硅靶電源，電流為35 60安培，保持基體20偏壓為-150 -500伏，調(diào)節(jié)氬氣流量稍大于濺射 TiN層122時的氮氣流量，但氮氣流量范圍控制在50 150sCCm之內(nèi)，同時向真空室通入流量為50 150sccm的乙炔(C2H2)氣體，保持轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)速為1 3rpm，在TiN層122上反應(yīng)式濺射一 SiCN層124。濺射時間為2 3分鐘。重復(fù)上述濺射TiN層122和濺射SiCN層124的步驟200 250次，以在基體20 上沉積由TiN層122和SiCN層124交替形成的納米復(fù)合層12，由此在基體20上形成所述硬質(zhì)涂層10。該硬質(zhì)涂層10具有如上所述特征。本發(fā)明的硬質(zhì)涂層10包括由TiN層122和SiCN層124交替排布而形成的納米復(fù)合層12，每一 TiN層122和SiCN層124的厚度都是納米級別(即幾個至幾十個原子厚度)。 由于TiN和SiCN的晶格參數(shù)等不相同，因此在TiN和SiCN界面上，存在著原子的錯配，而原子錯配是位錯滑移的巨大障礙，會導(dǎo)致納米復(fù)合層12硬化，即產(chǎn)生超晶格硬化效應(yīng)；此外， 由于TiN層122和SiCN層124的厚度均很薄，因此其內(nèi)部的位錯僅需要滑移數(shù)個原子就可以達到界面上，被晶格錯配阻擋并固定在界面處，從而導(dǎo)致位錯難以再次滑動，使得納米復(fù)合層12的硬度大大增加，從而大大提升涂層的整體硬度。經(jīng)測試，經(jīng)上述方法制備的硬質(zhì)涂層10的顯微硬度可達50GPa以上，耐磨性能好；同時該硬質(zhì)涂層10在約800°C下使用不易氧化，具有較好的高溫抗氧化性能?？梢岳斫?，上述被覆件40的制備方法還可包括濺射結(jié)合層30前，在所述多靶磁控濺射設(shè)備內(nèi)對基體20進行離子清洗。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)涂層，該硬質(zhì)涂層包括一納米復(fù)合層，其特征在于該納米復(fù)合層包括若干TiN層和若干SiCN層，所述TiN層和SiCN層交替排布。
2.如權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)涂層，其特征在于所述每一TiN層和與其相鄰SiCN層的厚度之和為5 15納米。
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)涂層包括200 250層TiN層和200 250層SiCN層，該硬質(zhì)涂層的總厚度為2 5微米。
4.一種被覆件，包括一硬質(zhì)基體、形成于該基體上的結(jié)合層及形成于該結(jié)合層上的硬質(zhì)涂層，該硬質(zhì)涂層包括一納米復(fù)合層，其特征在于該納米復(fù)合層包括若干TiN層和若干 SiCN層，所述TiN層和SiCN層交替排布。
5.如權(quán)利要求4所述的被覆件，其特征在于所述每一TiN層和與其相鄰SiCN層的厚度之和為5 15納米。
6.如權(quán)利要求5所述的被覆件，其特征在于該硬質(zhì)涂層包括200 250層TiN層和 200 250層SiCN層，該硬質(zhì)涂層的總厚度為2 5微米。
7.如權(quán)利要求4所述的被覆件，其特征在于該結(jié)合層為一鈦金屬層。
8.一種具有硬質(zhì)涂層的被覆蓋件的制備方法，包括以下步驟將承鍍基體放入一多靶磁控濺射設(shè)備的轉(zhuǎn)架上，在該多靶磁控濺射設(shè)備內(nèi)安裝鈦靶和硅靶；在該多靶磁控濺射設(shè)備內(nèi)濺射清洗鈦靶和硅靶，使鈦靶和硅靶表層原子濺射出來，以除去雜質(zhì)；在基體上濺射一結(jié)合層；在該結(jié)合層上濺射一 TiN層；在該TiN層上反應(yīng)式濺射一 SiCN層；重復(fù)上述濺射TiN層和濺射SiCN層的步驟，以在基體上沉積由若干TiN層和若干SiCN 層交替形成的納米復(fù)合層。
9.如權(quán)利要求8所述的被覆蓋件的制備方法，其特征在于所述濺射清洗鈦靶和硅靶的步驟在如下條件下進行該多靶磁控濺射設(shè)備的真空室的真空度為2X10—3 8. 0X10_3Pa，通入氬氣為離子源氣體，用擋板將基體與鈦靶和硅靶隔開，開啟鈦靶和硅靶電源，電流分別為60A和45A，調(diào)節(jié)偏壓為-100 -200伏，清洗時間為5 20分鐘。
10.如權(quán)利要求8所述的被覆蓋件的制備方法，其特征在于所述濺射TiN層的步驟是在如下條件下進行向該多靶磁控濺射設(shè)備的真空室通入流量為20 lOOsccm氮氣，基體偏壓為-150 -500伏，開啟鈦靶電源，電流為40 70安培，轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速為1 3rpm，濺射時間為2 3分鐘。
11.如權(quán)利要求10所述的被覆蓋件的制備方法，其特征在于所述濺射SiCN層的步驟是在如下條件下進行關(guān)閉所述鈦靶電流，開啟硅靶電源，電流為35 60安培，氮氣流量為 50 150sccm，基體偏壓為-150 -500伏，同時向真空室通入流量為50 150sccm的乙炔氣體，轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速為1 3rpm，濺射時間為2 3分鐘。
12.如權(quán)利要求8所述的被覆蓋件的制備方法，其特征在于該結(jié)合層為一鈦金屬層。
全文摘要
本發(fā)明提供一種硬質(zhì)涂層，該硬質(zhì)涂層包括一納米復(fù)合層，該納米復(fù)合層包括若干TiN層和若干SiCN層，所述TiN層和SiCN層交替排布。本發(fā)明還提供一種具有該硬質(zhì)涂層的被覆件以及該被覆件的制備方法。本發(fā)明的硬質(zhì)涂層硬度高，具有較好的耐磨性能和高溫抗氧化性能。
文檔編號C23C14/35GK102443775SQ201010510348
公開日2012年5月9日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月15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