專利名稱：硬質(zhì)薄膜、具備硬質(zhì)薄膜的產(chǎn)品及該產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種硬質(zhì)薄膜、具備該硬質(zhì)薄膜的產(chǎn)品及該產(chǎn)品的制作方法。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)薄膜廣泛地應(yīng)用于硬質(zhì)合金、高速鋼、以及陶瓷等材料的表面以制作出高硬度及高耐磨性的產(chǎn)品?，F(xiàn)有的硬質(zhì)薄膜主要為氮鈦鋁(TiAlN)薄膜。然，在對產(chǎn)品硬度有更高要求時，如刀具，單純的氮鈦鋁薄膜的硬度和耐磨性能還略顯不足。目前，高切削速度、高進給速度、高可靠性、高精度和長壽命是刀具的發(fā)展方向，而不用或少用冷卻液的干式切削技術(shù)，由于效率高，對環(huán)境污染小，正逐步成為切削技術(shù)的主流。然這些技術(shù)對刀具涂層的性能提出了更高的性能要求，尤其是長時間的干式切削將導致刀具與被切削件接觸處溫度迅速升至600-800攝氏度以上，這些條件不僅要求涂層具有優(yōu)異的高溫抗氧化性能，還要求涂層具有更高硬度、耐摩擦等性能，單純的氮鈦鋁薄膜的硬度和耐磨性能以難以滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述內(nèi)容，有必要提供一種高硬度、高耐磨損性的硬質(zhì)薄膜。另外，還有必要提供一種具備上述硬質(zhì)薄膜的產(chǎn)品。此外，有必要提供一種上述產(chǎn)品的制作方法?！N硬質(zhì)薄膜，包括若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層，該若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層交替沉積排布。一種產(chǎn)品，包括基體及形成于基體上的硬質(zhì)薄膜，所述硬質(zhì)薄膜包括若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層，該若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層交替沉積排布。一種產(chǎn)品的制作方法，包括以下步驟提供一基體；在基體的表面形成硬質(zhì)薄膜，該硬質(zhì)薄膜包括若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層，該若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層交替沉積排布；對所述硬質(zhì)薄膜進行氮化處理。本發(fā)明硬質(zhì)薄膜由氮鈦鋁層與氮化硼層交替沉積排布形成，氮鈦鋁層具備高硬度及優(yōu)良的耐磨性能，而氮化硼層自身亦具備高硬度和高耐磨性能，氮鈦鋁層與氮化硼層中納米級粒子相互擴散，使得硬質(zhì)薄膜具備更高的硬度及耐磨性能，相較于氮鈦鋁硬質(zhì)薄膜，具備更高的硬度及耐磨性能，可使硬度達到50Gpa。相應(yīng)地，具備該硬質(zhì)薄膜的產(chǎn)品具備優(yōu)良的硬度和耐磨性能，且氮鈦鋁層與氮化硼層以及基體之間的元素相互擴散，使得硬質(zhì)薄膜本身以及與基體之間的結(jié)合力增強。制作產(chǎn)品中，通過先將基體進行交替沉積形成硬質(zhì)薄膜，然后將形成硬質(zhì)薄膜的基體放入熱處理爐中進行氮化，如此可使的薄膜上未反應(yīng)的金屬粒子完全氮化，如此可進一步提高硬質(zhì)薄膜的硬度。


圖1是本發(fā)明較佳實施例具備硬質(zhì)薄膜的產(chǎn)品的剖視示意圖
圖2是圖1所示產(chǎn)品的制作方法流程圖3是圖1產(chǎn)品的制作過程中所用鍍膜機的俯視示意圖。
主要元件符號說明
女口廣口口10
基體11
硬質(zhì)薄膜12
氮鈦鋁層121
氮化硼層122
鍍膜機100
鍍膜室20
真空泵30
軌跡21
第一靶材22
第二靶材23
氣源通道2具體實施例方式請參閱圖1，本發(fā)明一較佳實施例的產(chǎn)品10，包括基體11、及形成在基體11上的硬質(zhì)薄膜12。所述產(chǎn)品10可為刀具，該基體11的材質(zhì)可為硬質(zhì)合金、高速鋼、陶瓷、以及金屬陶瓷等。所述硬質(zhì)薄膜12通過PVD (物理氣相沉積)鍍膜形成在該基體11的表面，該硬質(zhì)薄膜12包括若干氮鈦鋁(TiAlN)層121與若干氮化硼(BN)層122，該若干氮鈦鋁層121與若干氮化硼層122交替排布。基體11的材質(zhì)為硬質(zhì)合金或高速鋼時，與基體11直接相結(jié)合的為氮化硼層122，該氮化硼層122熱膨脹系數(shù)接近基體11，在溫度變化時不會產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，便于與基體11結(jié)合穩(wěn)定。外露于產(chǎn)品10表面的為氮鈦鋁層121。每一氮鈦鋁層121與每一氮化硼層122的厚度均在3_15納米之間，該硬質(zhì)薄膜12的整體厚度在1-2. 5微米之間。請參閱圖2，該產(chǎn)品10的制作方法包括以下步驟Sl 提供一基體11，基體11材質(zhì)可為硬質(zhì)合金、高速鋼、陶瓷、以及金屬陶瓷等，將該基體11表面進行超聲波清洗，如采用無水乙醇或丙酮對基體進行超聲波清洗，以除去基體11表面的油污。S2 將基體11烘干后置入鍍膜機中進行PVD鍍膜形成所述硬質(zhì)薄膜12。結(jié)合參閱圖3，提供一鍍膜機100，鍍膜機100包括一鍍膜室20及用以對所述鍍膜室20抽真空的一真空泵30。該鍍膜室20內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)架(未圖示)及擋板(未圖示)、二第一靶材22及二第二靶材23。轉(zhuǎn)架帶動基體11沿圓形軌跡21運行，且基體11在沿軌跡21運行時亦自轉(zhuǎn)；擋板用以在清洗靶材時隔離濺射的粒子濺射至基體11，其通過電動控制自動打開或關(guān)閉。二第一靶材22與二第二靶材23關(guān)于軌跡21的中心對稱設(shè)置，且二第一靶材22相對地設(shè)置在軌跡21的內(nèi)外側(cè)，二第二靶材23相對地設(shè)置在軌跡21的內(nèi)外側(cè)。每一第一靶材22及每一第二靶材23的兩端均設(shè)有氣源通道M，鍍膜時，氣體經(jīng)由該氣源通道M進入所述鍍膜室20。當基體11穿過二第一靶材22之間時，將鍍上第一靶材22表面濺射出的粒子，當基體11穿過二第二靶材23之間時，將鍍上第二靶材23表面濺射出的粒子。形成所述硬質(zhì)薄膜12的過程如下(1)提供第一靶材22與第二靶材23，該第一靶材22為鈦鋁(TiAl)合金靶，該第二靶材23為氮化硼靶。對該二靶材進行清洗。清洗過程如下，將TiAl靶和氮化硼靶分別置于鍍膜機100的濺射源上，抽真空鍍膜室20至真空度為3. 0X10_3Pa，通入流量為500cm7s的高純氬氣，調(diào)節(jié)基體11的偏壓為_250 -350V，開啟鈦鋁靶和氮化硼靶，氬氣轟擊鈦鋁靶材和氮化硼靶材的表面，如此將鈦鋁靶材和氮化硼靶材表面清洗干凈，在清洗時轉(zhuǎn)架不轉(zhuǎn)動，開啟擋板將濺射的粒子與基體11隔離。( 接著在基體11表面交替沉積氮鈦鋁層121與氮化硼層122。調(diào)節(jié)氬氣流量為300cm7s，通入流量為70 130cm7s的氮氣；調(diào)節(jié)鈦鋁靶材功率為400 500W，氮化硼靶材的功率為300 400W，關(guān)閉擋板，開啟轉(zhuǎn)架，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)架速度為2-5r/min (轉(zhuǎn)/分鐘)，沉積時間為30 120min。氮鈦鋁層121與氮化硼層122交替沉積，每一氮鈦鋁層121與每一氮化硼層122的厚度均為3-15納米。該硬質(zhì)薄膜12的整體厚度為1-2. 5微米之間。該硬質(zhì)薄膜12中與基體11接觸的一層為氮化硼層122，最外表面為氮鈦鋁層121，如此，基體11的表面形成所述硬質(zhì)薄膜12。鍍膜結(jié)束后，關(guān)閉靶材電流、偏壓、氣流等，待鍍膜室20內(nèi)溫降至室溫后取出表面形成有硬質(zhì)薄膜12的基體11。上述第二靶材23采用氮化硼靶材而非采用B靶材，主要因為B靶材導電性極差，且B靶在濺射時需要高達2000°C的鍍膜溫度，濺射后B粒子難以與N粒子結(jié)合形成氮化硼粒子。而氮化硼靶材濺鍍需要的濺射溫度低，約700°C。所述的硬質(zhì)薄膜12具有高的硬度在材料學中，一種金屬或合金硬度是否大，從微觀上來看，主要取決于它內(nèi)部的位錯是否易于滑移。一般來說，位錯的滑移導致金屬內(nèi)部原子層面的滑移，位錯的多次滑移累積起來，在宏觀層面上就表現(xiàn)為金屬的塑性變形。越容易發(fā)生塑性變形的物質(zhì)，其延展性越好，硬度越低；反之，越不容易發(fā)生塑性變形的物質(zhì)，其延展性越差，硬度越大。因此，總結(jié)起來就是物質(zhì)的硬度關(guān)鍵取決于物質(zhì)內(nèi)部位錯發(fā)生滑移的難易程度。在氮鈦鋁層121與氮化硼層122形成的納米多層硬質(zhì)薄膜12中，氮鈦鋁和氮化硼交替沉積，每一層的厚度都是納米級別(即幾個至幾十個原子厚度)。由于氮鈦鋁和氮化硼的晶格參數(shù)等不相同，因此在氮鈦鋁和氮化硼界面上，存在著原子的錯配，而原子錯配是位錯滑移的巨大障礙，會導致物質(zhì)硬化(即超晶格硬化效應(yīng))；此外，由于氮鈦鋁層121和氮化硼層122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，從而導致位錯難以再次滑動，使得物質(zhì)的硬度大大增加，從而大大提升涂層的整體硬度。S3 將形成有硬質(zhì)薄膜12的基體11放入熱處理爐中進行氮化處理。具體過程為在熱處理爐中通入氮氣，設(shè)定爐溫升速為10°c /min，升溫至500 800°C之間，在熱處理爐中熱處理40 80min。然后關(guān)閉熱處理爐電源，并繼續(xù)通入氮氣，直至爐溫降至室溫，如此，硬質(zhì)薄膜12上未反應(yīng)的金屬粒子將完全氮化，獲得所需的產(chǎn)品10。該過程中，由于氮鈦鋁層121與氮化硼層122交替沉積的薄膜整體較薄且薄膜中各粒子之間具有原子間隙，氮氣不僅可以與表層的氮鈦鋁層121的粒子反應(yīng)，還可進一步透過粒子間隙與其他氮鈦鋁層121或氮化硼層122的粒子反應(yīng)，從而將未反應(yīng)的金屬粒子完全氮化，如此大大提高硬質(zhì)薄膜12整體的硬度與耐磨性能。另外，在氮化過程中，納米級別的氮鈦鋁層121與氮化硼層122在較高的溫度下，粒子會發(fā)生微量的互擴散，從而使得氮鈦鋁層121與氮化硼層122在結(jié)合面處的結(jié)合力大大增加。 本硬質(zhì)薄膜12由氮鈦鋁層與氮化硼層交替沉積形成，氮鈦鋁層具備高硬度及優(yōu)良的耐磨性能，而氮化硼層自身亦具備高硬度和高耐磨性能，氮鈦鋁層與氮化硼層交替沉積形成的硬質(zhì)薄膜12相較于氮鈦鋁硬質(zhì)薄膜，具備更高的硬度及耐磨性能，硬度可達到50Gpa。相應(yīng)地，具備該硬質(zhì)薄膜12的產(chǎn)品具備優(yōu)良的硬度和耐磨性能，且氮鈦鋁層與氮化硼層以及基體11之間的元素相互擴散，使得硬質(zhì)薄膜12本身以及與基體11之間的結(jié)合力增強。制作產(chǎn)品中，通過先將基體11進行交替沉積形成硬質(zhì)薄膜12，然后將形成有硬質(zhì)薄膜12的基體11放入熱處理爐中進行氮化，可使得硬質(zhì)薄膜12上未反應(yīng)的金屬粒子完全氮化，亦進一步大大提高硬質(zhì)薄膜12的硬度。
權(quán)利要求
1.一種硬質(zhì)薄膜，其特征在于該硬質(zhì)薄膜包括若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層，該若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層交替沉積排布。
2.如權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)薄膜，其特征在于每一所述氮鈦鋁層與每一所述氮化硼層的厚度均在3-15納米之間，該硬質(zhì)薄膜的整體厚度在1-2. 5微米之間。
3.一種產(chǎn)品，包括基體及形成于基體上的硬質(zhì)薄膜，其特征在于硬質(zhì)薄膜包括若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層，該若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層交替沉積排布。
4.如權(quán)利要求3所述的產(chǎn)品，其特征在于所述基體為高速鋼或硬質(zhì)合金中的一種，硬質(zhì)薄膜中與基體接觸的為氮化硼層，產(chǎn)品最外表面為氮鈦鋁層。
5.如權(quán)利要求3所述的產(chǎn)品，其特征在于每一所述氮鈦鋁層與每一所述氮化硼層的厚度均在3-15納米之間，該硬質(zhì)薄膜的整體厚度在1-2. 5微米之間。
6.一種產(chǎn)品的制作方法，包括以下步驟提供一基體；在基體的表面形成硬質(zhì)薄膜，該硬質(zhì)薄膜包括若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層，該若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層交替排布；對所述硬質(zhì)薄膜進行氮化處理。
7.如權(quán)利要求6所述的產(chǎn)品的制作方法，其特征在于所述基體表面形成硬質(zhì)薄膜的方法采用PVD交替沉積的方法，包括調(diào)節(jié)氬氣流量為300cm/s，通入流量為70 130cm7s的氮氣；調(diào)節(jié)TiAl靶材功率為400 500W，氮化硼靶材的功率為300 400W，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)架速度為2-5r/min (轉(zhuǎn)/分鐘)，沉積時間為30 120min。
8.如權(quán)利要求7所述的產(chǎn)品的制作方法，其特征在于交替沉積前先清洗靶材，清洗過程包括將TiAl靶材和氮化硼靶材分別置于鍍膜機的濺射源上，抽真空至3. OX 10-3 ，通入流量為500cm7s的高純氬氣，調(diào)節(jié)偏壓在-250 -350V，開啟TiAl靶材和氮化硼靶材，功率分別為300 500W之間，氬氣轟擊TiAl靶材和氮化硼靶材的表面，以清洗TiAl靶材和氮化硼靶材表面。
9.如權(quán)利要求6所述的產(chǎn)品的制作方法，其特征在于氮化處理包括在熱處理爐中通入氮氣，升溫至500 800°C之間，在熱處理爐中熱處理40 80min。
10.如權(quán)利要求7所述的產(chǎn)品的制作方法，其特征在于將基體置入鍍膜機前進行進行化學除油清洗，以去除基體表面的油污。
全文摘要
本發(fā)明公開一種硬質(zhì)薄膜、具備硬質(zhì)薄膜的產(chǎn)品、及產(chǎn)品的制作方法，該硬質(zhì)薄膜由氮鈦鋁層與氮化硼層交替沉積而成。產(chǎn)品包括一基體及形成在基體上的所述硬質(zhì)薄膜。產(chǎn)品的制作方法，包括以下步驟提供一基體；在基體的表面形成硬質(zhì)薄膜，該硬質(zhì)薄膜包括若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層，該若干氮鈦鋁層與若干氮化硼層交替沉積排布；對所述硬質(zhì)薄膜進行氮化處理。該具有氮鈦鋁層與氮化硼層形成的硬質(zhì)薄膜的產(chǎn)品，產(chǎn)品的硬度與耐磨性均極大的提高，且制備方法簡單。
文檔編號C23C14/34GK102560346SQ20101060675
公開日2012年7月11日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12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