專利名稱：具有硬質(zhì)涂層的被覆件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有硬質(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，氮化鈦(TiN)薄膜鍍覆在刀具或模具表面使刀具和模具的使用壽命在一定程度上得到提高。然而，隨著金屬切削加工朝高切削速度、高進(jìn)給速度、長壽命、高精度和良好的切削控制性方面發(fā)展，對(duì)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。在TiN涂層的基礎(chǔ)上加入Cr、Al等金屬元素可以進(jìn)一步提高其硬度和抗氧化性，其中氮鋁鈦(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硬度難以超過30GPa，抗氧化溫度為SOO0C以下，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。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種具有較高硬度、耐磨損的涂層的被覆件。另外，還有必要提供一種上述被覆件的制備方法。一種具有硬質(zhì)涂層的被覆件，包括硬質(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)涂層的組成為TixAlYMzN，其中X、Y及Z分別表示Ti、Al及M的原子個(gè)數(shù)百分比，或Dy，X+Y+Z =1%?！N具有硬質(zhì)涂層的被覆件的制備方法，包括以下步驟提供硬質(zhì)基體，并對(duì)基體進(jìn)行去污清洗；對(duì)基體進(jìn)行真空鍍膜處理，以于基體上鍍覆結(jié)合層及硬質(zhì)涂層，該結(jié)合層位于該硬質(zhì)基體與該硬質(zhì)涂層之間，該硬質(zhì)涂層的組成為TixAlYMzN，其中X、Y及Z分別表示Ti、Al及M的原子個(gè)數(shù)百分比，] 為&或Dy，X+Y+Z = 1,35%^ X彡45%,0. 01%^ Z彡1%。其中所述真空鍍膜處理是用組成為TixAlYMz的復(fù)合靶為靶材，采用磁控濺射方法形成所述結(jié)合層及該硬質(zhì)涂層。上述具有硬質(zhì)涂層的被覆件上形成有一層硬質(zhì)涂層，該硬質(zhì)涂層為參雜有稀有元素鈧(Sc)或鏑(Dy)的TiAlN涂層，在切削等使用過程中，涂層表面會(huì)生成三氧化二鋁薄膜，自動(dòng)形成氧阻隔層，但是該三氧化二鋁阻隔層上仍然存在一些孔洞，氧原子由這些孔洞進(jìn)入，會(huì)使涂層進(jìn)一步氧化，而鈧和鏑具有封堵所述阻隔層的孔洞的作用，進(jìn)而具有抑制硬質(zhì)涂層進(jìn)一步氧化的作用。另外，微量的鈧或鏑與鋁反應(yīng)可生成鈧鋁或鈧鏑金屬間化合物新相，彌散分布于涂層中，起到彌散強(qiáng)化作用，可大幅提高涂層的耐磨性能。


圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例的被覆件的剖視示意圖。
圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的被覆件的制備方法中所用鍍膜設(shè)備的示意圖。
主要元件符號(hào)說明
被覆件10
硬質(zhì)基體20
5口口 te30
硬質(zhì)涂層40
磁控濺射設(shè)備1
真空室2
真空泵3
轉(zhuǎn)架4
靶材 5
氣源通道 具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明較佳實(shí)施例具有硬質(zhì)涂層的被覆件10包括硬質(zhì)基體20、形成于硬質(zhì)基體20上的結(jié)合層30、形成于結(jié)合層30上的硬質(zhì)涂層40。該硬質(zhì)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。該結(jié)合層30的組成可由表示式TixAlYMz表示，其中X、Y及Z分別表示Ti、Al及M的原子個(gè)數(shù)百分比，M可為&或07，Χ+Υ+Ζ = 1，；35%彡X彡45%，0. 01%彡Z彡1%。該結(jié)合層30的厚度大約為20 50nm。該結(jié)合層30用于提高硬質(zhì)涂層40與硬質(zhì)基體20之間的結(jié)合力。該硬質(zhì)涂層40的組成可由表示式TixAlYMzN表示，其中X、Y及Z分別表示Ti、Al及 M 的原子個(gè)數(shù)百分比，M 可為 S c 或 Dy，X+Y+Z = 1, 35%^ X ^ 45%, 0. 01 %^ Z ^ 1%。該硬質(zhì)涂層40的厚度大約為1. 5 3 μ m。該結(jié)合層30與該硬質(zhì)涂層40均可通過磁控濺射的方法形成。該被覆件10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等。上述具有硬質(zhì)涂層的被覆件10的制備方法，主要包括如下步驟提供硬質(zhì)基體20，并對(duì)硬質(zhì)基體20進(jìn)行去污清洗。該清洗步驟可將硬質(zhì)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(jìn)行震動(dòng)清洗，以除去硬質(zhì)基體20表面的雜質(zhì)和油污等，清洗完畢后烘干備用。以組成為TixAlYMz的復(fù)合靶為靶材，對(duì)硬質(zhì)基體20進(jìn)行真空鍍膜處理，以于硬質(zhì)基體20上鍍覆該結(jié)合層30及該硬質(zhì)涂層40。該結(jié)合層30位于該硬質(zhì)基體20與硬質(zhì)涂層40之間。該真空鍍膜處理步驟具體如下請(qǐng)參閱圖2，提供一磁控濺射設(shè)備1，磁控濺射設(shè)備1包括一真空室2、用以對(duì)真空室2抽真空的真空泵3以及與真空室2相通的氣源通道6。該真空室2內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)架4、擋板(未圖示)及相對(duì)設(shè)置的二靶材5，靶材5為組成為TixAlYMz的復(fù)合靶。轉(zhuǎn)架4帶動(dòng)硬質(zhì)基體20做圓周運(yùn)行，且基材20在隨轉(zhuǎn)架4運(yùn)行的同時(shí)也進(jìn)行自轉(zhuǎn)。鍍膜時(shí)，濺射氣體與反應(yīng)氣體經(jīng)由該氣源通道6進(jìn)入真空室2。擋板用于在清洗靶材5時(shí)將硬質(zhì)基體20與靶材5隔開，防止濺射出的靶材粒子濺射至硬質(zhì)基體20上。將經(jīng)上述清洗的硬質(zhì)基體20放置于磁控濺射設(shè)備1的轉(zhuǎn)架4上，然后濺射清洗靶材5。該濺射清洗過程如下對(duì)真空室2抽真空至2 X 10_3 6. 0 X 10 ,通入流量為300 500sCCm(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)毫升/分鐘)氬氣作為濺射氣體，用擋板將硬質(zhì)基體20與靶材5隔開。開啟靶材5的電源，功率為3 4kw，調(diào)節(jié)硬質(zhì)基體20偏壓為-200 -300伏，對(duì)靶材5濺射清洗5 20分鐘。該步驟是利用氬氣離子轟擊靶材，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(shí)應(yīng)避免濺射出來的靶材原子沉積到硬質(zhì)基體20上，因此用擋板將硬質(zhì)基體20與靶材5隔開。在硬質(zhì)基體20上濺射該結(jié)合層30。將擋板從硬質(zhì)基體20與靶材5之移除，調(diào)節(jié)氬氣流量為120 180sccm，調(diào)節(jié)偏壓至-200 -250V，調(diào)節(jié)靶材5的功率為2. 5 3kw，對(duì)硬質(zhì)基體20預(yù)濺射5 10分鐘，以于硬質(zhì)基體20表面形成該結(jié)合層30。在結(jié)合層30上濺射該硬質(zhì)涂層40。調(diào)節(jié)氬氣流量為240 300sCCm，向真空室2通入流量為75 120SCCm的氮?dú)?，調(diào)節(jié)靶材5功率為3 4kw，調(diào)節(jié)硬質(zhì)基體20偏壓為-150 -250伏，設(shè)置所述轉(zhuǎn)架4的轉(zhuǎn)速為0.5 3rpm(revolution per minute，轉(zhuǎn)/分鐘)，對(duì)硬質(zhì)基體20進(jìn)行濺射45 120分鐘，以在該結(jié)合層30上沉積一層該硬質(zhì)涂層40。鍍膜結(jié)束后，關(guān)閉負(fù)偏壓及靶材5電源，停止通入氬氣和氮?dú)?，待所述硬質(zhì)涂層40冷卻后，向真空室2內(nèi)通入空氣，打開真空室門，取出鍍覆好的硬質(zhì)基體20。上述具有硬質(zhì)涂層的被覆件10上形成有一層硬質(zhì)涂層40，該硬質(zhì)涂層40為參雜有稀有元素鈧(Sc)或鏑(Dy)的TiAlN涂層，在切削等使用過程中，涂層表面會(huì)生成三氧化二鋁薄膜，自動(dòng)形成氧阻隔層，但是該三氧化二鋁阻隔層上仍然存在一些孔洞，氧原子由這些孔洞進(jìn)入，會(huì)使涂層進(jìn)一步氧化，而&和Dy具有封堵所述阻隔層的孔洞的作用，進(jìn)而具有抑制硬質(zhì)涂層40進(jìn)一步氧化的作用。另外，微量的鈧或鏑與鋁反應(yīng)可生成鈧鋁或鈧鏑金屬間化合物新相，彌散分布于涂層中，起到彌散強(qiáng)化作用，可大幅提高涂層的耐磨性能。實(shí)施例1-3實(shí)施例1-3的硬質(zhì)基體選材分別為高速鋼、硬質(zhì)合金及模具鋼，將硬質(zhì)基體樣品放入盛裝有乙醇溶液的超聲波清洗器中震動(dòng)清洗后烘干。以TixAlYScz為靶材，靶材的具體組成如表1所示，對(duì)硬質(zhì)基體樣品進(jìn)行真空鍍膜處理。該真空鍍膜處理包括濺射清洗靶材、在硬質(zhì)基體樣品上濺射該結(jié)合層以及在結(jié)合層上濺射硬質(zhì)涂層。該真空鍍膜處理的操作如上所述，真空鍍膜各步驟工藝條件如表1所示。實(shí)施例4-6實(shí)施例4-6硬質(zhì)基體選材分別為高速鋼、硬質(zhì)合金及模具鋼。與實(shí)施例1-3不同的是，實(shí)施例4-6的靶材為TixAlYDyz，且實(shí)施例4_6的靶材中的X、Y及Z的取值分別與實(shí)施例1-3相同。另外，實(shí)施例4-6的各步驟工藝條件分別與實(shí)施例1-3相同。對(duì)實(shí)施例1-6所制得樣品的硬質(zhì)涂層的硬度及膜層氧化溫度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表2所示。由表2可知，上述具有硬質(zhì)涂層的被覆件10的硬質(zhì)涂層40具有32GPa以上的HV硬度，硬質(zhì)涂層40的高溫氧化溫度為820°C以上，相較于普通的TiAlN涂層均有所提高。
表 權(quán)利要求
1.一種具有硬質(zhì)涂層的被覆件，包括硬質(zhì)基體，其特征在于該被覆件還包括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)涂層的組成為TixAlYMzN，其中X、Y及Z分別表示Ti、A1及M的原子個(gè)數(shù)百分比，M為&或Dy，X+Y+Z = 1,35%^X^45%,0. 01%^ Zd
2.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于該結(jié)合層的組成為TixAlYMz，其中X、Y及Z分別表示Ti、A1及M的原子個(gè)數(shù)百分比，M為&或Dy，X+Y+Z = 1, 35%^ X ^ 45%, 0. 01 %SZd
3.如權(quán)利要求2所述的被覆件，其特征在于該結(jié)合層的厚度為20 50nm。
4.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于該硬質(zhì)涂層的厚度為1.5 3μπι。
5.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于該結(jié)合層與該硬質(zhì)涂層均由磁控濺射形成。
6.如權(quán)利要求5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、不銹鋼、鎂合金及鋁合金中的一種。
7.一種具有硬質(zhì)涂層的被覆件的制備方法，包括以下步驟提供硬質(zhì)基體，并對(duì)基體進(jìn)行去污清洗；對(duì)基體進(jìn)行真空鍍膜處理，以于基體上鍍覆結(jié)合層及硬質(zhì)涂層，該結(jié)合層位于該硬質(zhì)基體與該硬質(zhì)涂層之間，該硬質(zhì)涂層的組成為TixAlYMzN，其中X、Y及Z分別表示Ti、Al及M的原子個(gè)數(shù)百分比，或Dy，X+Y+Z =1%。
8.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制備方法，其特征在于該真空鍍膜處理采用磁控濺射方法，以組成為TixAlYMz的復(fù)合靶為靶材。
9.如權(quán)利要求8所述的被覆件的制備方法，其特征在于濺射所述結(jié)合層的工藝條件為以氬氣為濺射氣體，基體施加偏壓至-200 -250V，靶材功率為2. 5 3千瓦，濺射時(shí)間為5 10分鐘。
10.如權(quán)利要求8所述的被覆蓋件的制備方法，其特征在于濺射所述硬質(zhì)涂層的工藝條件為以氬氣為濺射氣體，以流量為75 120sCCm的氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體，靶材功率為3 4千瓦，基體施加偏壓-150 -250伏，濺射時(shí)間為45 120分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有硬質(zhì)涂層的被覆件，包括硬質(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)涂層的組成為TiXAlYMZN，其中X、Y及Z分別表示Ti、Al及M的原子個(gè)數(shù)百分比，M為Sc或Dy，X+Y+Z＝1，35％≤X≤45％，0.01％≤Z≤1％。本發(fā)明還提供一種通過磁控濺射方法制備上述被覆件的方法。本發(fā)明具有硬質(zhì)涂層的被覆件硬度高，具有較好的耐磨性能和高溫抗氧化性能。
文檔編號(hào)C23C14/35GK102560347SQ20101060720
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月27日
發(fā)明者張新倍, 彭立全, 蔣煥梧, 陳文榮, 陳正士 申請(qǐng)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