專利名稱：被覆件及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種被覆件及其制造方法。
背景技術：
PVD鍍膜工藝在工業(yè)領域有著廣泛的應用，其中，TiN, TiAlN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。傳統(tǒng)的TiN、TiAlN涂層在硬度、耐磨性及高溫抗氧化性等方面已經不能滿足要求。

發(fā)明內容
有鑒于此，有必要提供一種具有良好的硬度、耐磨性及高溫抗氧化性的被覆件。另外，還有必要提供一種制造所述被覆件的方法。一種被覆件，該被覆件包括基體及形成于基體表面的納米復合層，該納米復合層包括若干氮化鋁鉻層和若干碳氮化鋁鉻層，所述若干氮化鋁鉻層和若干碳氮化鋁鉻層交替排布，所述納米復合層最外層為氮化鋁鉻層或碳氮化鋁鉻層。一種被覆件的制造方法，包括以下步驟提供基體；于基體上磁控濺射形成納米復合層，該納米復合層包括若干氮化鋁鉻層和若干碳氮化鋁鉻層，所述若干氮化鋁鉻層和若干碳氮化鋁鉻層交替排布，所述納米復合層最外層為氮化鋁鉻層或碳氮化鋁鉻層。由于氮化鋁鉻與碳氮化鋁鉻之間彈性剪切模量的差異使上述兩者之間具有不同的位錯線能量，如此使跨晶界位錯運動停止在氮化鋁鉻層與碳氮化鋁鉻層的界面處，該跨晶界位錯的塞積可產生硬化現象及抑制膜層的變形，從而使得所述納米復合層的硬度及韌性得到顯著的提高。另外，由于所述氮化鋁鉻層與碳氮化鋁鉻層具有不同的晶格常數，在所述納米復合層中形成了拉/壓應力場，該拉/壓應力場所造成的畸變能使位錯運動的阻力增加，可進一步提高所述納米復合層的硬度。所述納米復合層硬度及韌性的提高，可顯著地提高所述被覆件的耐磨性。在高溫狀態(tài)下，所述納米復合層的最外層的氮化鋁鉻層或碳氮化鋁鉻層中的Al 原子將擴散至該納米復合層的表層，與氧氣反應形成一致密的含有Al2O3的保護膜，可阻止納米復合層中的元素向外擴散及外界的氧氣向納米復合層內的擴散，如此可大大提高所述被覆件的高溫抗氧化能力。


圖1為本發(fā)明一較佳實施例的被覆件的剖視圖。主要元件符號說明
被覆件100
基體10
5口口 te20
納米復合層30
氮化鋁鉻層31
碳氮化鋁鉻層3具體實施例方式請參閱圖1，本發(fā)明一較佳實施例的被覆件100包括基體10及形成于基體10表面的一納米復合層30。該基體10的材質可以為硬質合金、陶瓷、不銹鋼或高速鋼等。該被覆件100可以為各類切削刀具、精密量具、模具、3C電子產品外殼及各種建筑裝飾件等。該納米復合層30包括若干氮化鋁鉻(AlCrN)層31和若干碳氮化鋁鉻(AlCrCN) 層33，所述若干AlCrN層31和若干AlCrCN層33交替排布。所述納米復合層30與基體10 直接結合的為AlCrN層31。所述納米復合層30的最外層為AlCrN層31或若干AlCrCN層 33，優(yōu)選為AlCrN層31。由于AlCrN層31具有較低的摩擦系數，當被覆件100為切削刀具時，可降低切削刀具與切屑之間的粘附性，起到減少切削熱的作用，使其加工硬度較低的材料以及粘性較大的材料時更具優(yōu)勢。所述納米復合層30的總厚度為0. 5 2. 0 μ m。所述納米復合層30的調制周期為 3 15nm。所述若干AlCrN層31和若干AlCrCN層33分別通過磁控濺射的方法制成。所述每一 AlCrN層31中的C原子的百分含量分別隨所述AlCrN層31沉積層數的增加呈梯度增加，所述每一 AlCrCN層33中的C原子、N原子的百分含量也分別隨所述AlCrCN層33沉積層數的增加呈梯度增加，即所述納米復合層30中的C原子、N原子的百分含量由靠近基體10至遠離基體10的方向呈梯度增加。所述被覆件100還包括形成于所述基體10與納米復合層30之間的結合層20。所述結合層20為鋁鉻金屬層，其通過磁控濺射鍍膜法形成。所述結合層20的厚度為0. 5 2. 0 μ m0本發(fā)明一較佳實施例的被覆件100的制造方法主要包括如下步驟提供基體10，所述基體10的材質可以為硬質合金、陶瓷、不銹鋼及高速鋼中的任一種。將基體10放入盛裝有無水乙醇及/或丙酮溶液的超聲波清洗器中進行震動清洗，以除去基體10表面的雜質和油污。清洗完畢后烘干備用。對經上述處理后的基體10的表面進行氬氣等離子體清洗，以進一步去除基體10 表面的油污，以及改善基體10表面與后續(xù)涂層的結合力。該等離子體清洗的具體操作及工藝參數為將基體10固定于中頻磁控濺射鍍膜機(圖未示)的鍍膜室的轉架上，設置所述轉架的公轉速度為0.5 3. Orpm(revolution per minute，轉/分鐘)，抽真空所述鍍膜室至真空度為3. OX 10_3Pa，以100 500sCCm(標準狀態(tài)毫升/分鐘)的流量向鍍膜室內通入純度為99. 999%的氬氣，并施加-500 -800V的偏壓于基體10，對基體10表面進行等離子體清洗，清洗時間為3 lOmin。在對基體10進行等離子體清洗后，在所述鍍膜機中采用磁控濺射鍍膜法于基體 10表面沉積所述結合層20。所述結合層20為鋁鉻金屬層。形成所述結合層20的具體操作及工藝參數如下以氬氣為工作氣體，調節(jié)氬氣的流量為200 300SCCm，加熱鍍膜室至200 4500C (即濺射溫度為200 450°C )，開啟安裝于所述鍍膜室內的一鋁靶及一鉻靶的電源，分別設置該鋁靶的電源功率為1 15kw、鉻靶的電源功率為1 8kw，對基體10施加-100 -400V的偏壓，沉積所述結合層20。沉積該結合層20的時間為5 lOmin。于所述結合層20上沉積所述納米復合層30。所述納米復合層30由若干AlCrN層 31和若干AlCrCN層33交替沉積形成。形成所述納米復合層30的具體操作及工藝參數如下(1)以氬氣為工作氣體，調節(jié)氬氣流量至200 300sCCm，再向鍍膜室中通入流量為20 30sCCm的純度為99. 99%的反應氣體氮氣；保持所述鋁靶及鉻靶的電源功率、施加于基體10的偏壓、濺射溫度不變，沉積AlCrN層31。沉積該AlCrN層31的時間為1 IOmin0(2)保持所述鋁靶及鉻靶的電源功率、施加于基體10的偏壓、濺射溫度及氬氣的流量不變，通入流量為20 30sCCm的純度為99. 8%的反應氣體乙炔，于所述AlCrN層31 上沉積一 AlCrCN層33。沉積該AlCrCN層33的時間為1 IOmin。(3)重復上述步驟⑴及⑵，以交替沉積AlCrN層31及AlCrCN層33。且在沉積后續(xù)的每一 AlCrN層31時，將氮氣的流量較沉積前一 AlCrN層31時氮氣的流量增大5 IOsccm,在沉積后續(xù)的每一 AlCrCN層33時，將氮氣的流量較沉積前一 AlCrCN層33時氮氣及乙炔氣體的流量分別增大5 lOsccm，而使所述每一 AlCrN層31中的C原子的百分含量分別隨所述AlCrN層31沉積層數的增加呈梯度增加，所述每一 AlCrCN層33中的C原子、 N原子的百分含量也分別隨所述AlCrCN層33沉積層數的增加呈梯度增加。沉積該納米復合層30的時間為30 120min。關閉負偏壓及靶材的電源，停止通入氬氣、氮氣乙炔氣體，待所述納米復合層30 冷卻后，向鍍膜內通入空氣，打開鍍膜室門，取出鍍覆有結合層20及納米復合層30的基體 10。在沉積所述納米復合層30的過程中，保持該納米復合層30的調制周期為3 15nm,以增大AlCrN層31與AlCrCN層33之間的彈性剪切模量。由于AlCrN與AlCrCN之間彈性剪切模量的差異使上述兩者之間具有不同的位錯線能量，如此使跨晶界位錯運動停止在AlCrN層31與AlCrCN層33的界面處，該跨晶界位錯的塞積可產生硬化現象及抑制膜層的變形，從而使得所述納米復合層30的硬度及韌性得到顯著的提高。另外，由于所述AlCrN層31與AlCrCN層33具有不同的晶格常數，在所述納米復合層30中形成了拉/壓應力場，該拉/壓應力場所造成的畸變能使位錯運動的阻力增加，可進一步提高所述納米復合層30的硬度。所述納米復合層30中C原子、N原子的百分含量呈梯度變化，與結合層20的結合處N原子的百分含量較低，使其具有與結合層20、基體10較相近的熱膨脹系數，因此界面處內應力小，使得納米復合層30與結合層20之間的結合力增強；所述納米復合層30表層的 C原子、N原子的百分含量較高，因此納米復合層30表層的硬度較高。所述納米復合層30 硬度、韌性的提高及納米復合層30與結合層20之間結合力的增強，可顯著地提高所述被覆件100的耐磨性。
在高溫狀態(tài)下，所述納米復合層30的最外層的AlCrN層31或AlCrCN層33中的 Al原子將擴散至該納米復合層30的表層，與氧氣反應形成一致密的含有Al2O3的保護膜， 可阻止納米復合層30中的元素向外擴散及外界的氧氣向納米復合層30內的擴散，如此可大大提高所述被覆件100的高溫抗氧化能力。此外，由于AlCrN層31具有高紅硬性，使納米復合層30在高溫狀態(tài)下使用時仍能保持較高硬度。
權利要求
1.一種被覆件，該被覆件包括基體及形成于基體表面的納米復合層，其特征在于該納米復合層包括若干氮化鋁鉻層和若干碳氮化鋁鉻層，所述若干氮化鋁鉻層和若干碳氮化鋁鉻層交替排布，所述納米復合層最外層為氮化鋁鉻層或碳氮化鋁鉻層。
2.如權利要求1所述的被覆件，其特征在于所述納米復合層的總厚度為0.5 2. Oym,該納米復合層的調制周期為3 15nm。
3.如權利要求1或2所述的被覆件，其特征在于所述每一氮化鋁鉻層中的N原子的含量分別隨所述氮化鋁鉻層沉積層數的增加呈梯度增加，所述每一碳氮化鋁鉻層中的C原子、N原子的含量分別隨所述碳氮化鋁鉻層沉積層數的增加呈梯度增加。
4.如權利要求1所述的被覆件，其特征在于所述若干氮化鋁鉻層及若干碳氮化鋁鉻層的層數分別為4 20層。
5.如權利要求1所述的被覆件，其特征在于所述被覆件還包括形成于所述基體與納米復合層之間的結合層，所述結合層為鋁鉻金屬層。
6.一種被覆件的制造方法，包括以下步驟提供基體；于基體上磁控濺射形成納米復合層，該納米復合層包括若干氮化鋁鉻層和若干碳氮化鋁鉻層，所述若干氮化鋁鉻層和若干碳氮化鋁鉻層交替排布，所述納米復合層最外層為氮化鋁鉻層或碳氮化鋁鉻層。
7.如權利要求6所述的被覆件的制造方法，其特征在于磁控濺射該納米復合層包括如下步驟以鋁靶及鉻靶為靶材，以氮氣為反應氣體，于基體上磁控濺射形成氮化鋁鉻層；以鋁靶及鉻靶為靶材，以氮氣和乙炔氣體為反應氣體，于該氮化鋁鉻層上磁控濺射形成碳氮化鋁鉻層；重復所述磁控濺射氮化鋁鉻層及碳氮化鋁鉻層的步驟，于所述基體上交替形成若干氮化鋁鉻層和若干碳氮化鋁鉻層。
8.如權利要求7所述的被覆件的制造方法，其特征在于磁控濺射所述氮化鋁鉻層的工藝參數為氮氣流量為20 30sCCm，以氬氣為工作氣體，其流量為200 300s ccm,所述鋁靶及鉻靶的電源功率分別為1 15kw、l 8kw，于基體上施加-100 -400V的偏壓，濺射溫度為200 450°C，濺射時間為1 IOmin ；所述重復濺射形成氮化鋁鉻層時，將氮氣和的流量較沉積前一氮化鋁鉻層時分別增大5 lOsccm。
9.如權利要求7所述的被覆件的制造方法，其特征在于磁控濺射所述碳氮化鋁鉻層的工藝參數為所述鋁靶及鉻靶的電源功率分別為1 15kw、l 8kw，于基體上施加-100 -400V的偏壓，濺射溫度為100 450°C，濺射時間為1 IOmin ；所述重復濺射形成碳氮化鋁鉻層時，將氮氣和乙炔氣體的流量較沉積前一碳氮化鋁鉻層時分別增大5 IOsccm0
10.如權利要求6所述的被覆件的制造方法，其特征在于磁控濺射所述氮化鋁鉻層之前還包括于所述基體上磁控濺射形成鋁鉻金屬層的步驟，形成該鋁鉻金屬層的工藝參數為以氬氣為工作氣體，其流量為200 300sCCm，采用鋁靶及鉻靶為靶材，分別設置該鋁靶的電源功率為1 15kw、鉻靶的電源功率為1 8kw，施加于對基體上的偏壓為-100 -400V，濺射溫度為200 450°C，濺射時間為5 lOmin。
全文摘要
本發(fā)明提供一種被覆件，該被覆件包括基體及形成于基體表面的納米復合層，該納米復合層包括若干氮化鋁鉻層和若干碳氮化鋁鉻層，所述若干氮化鋁鉻層和若干碳氮化鋁鉻層交替排布，所述納米復合層最外層為氮化鋁鉻層或碳氮化鋁鉻層。所述被覆件具有良好的硬度、耐磨性及高溫抗氧化性的被覆件。本發(fā)明還提供了所述被覆件的制造方法。
文檔編號C23C14/35GK102485941SQ20101057304
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月4日 優(yōu)先權日2010年12月4日
發(fā)明者張新倍, 胡智杰, 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