專利名稱：耐磨損和抗氧化的TiAlSiN納米復(fù)合超硬涂層制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于涂層材料制備領(lǐng)域,進(jìn)一步涉及一種耐磨損和抗氧化的TiAlSiN納米復(fù)合超硬涂層的制備方法，該方法制備的TiAlSiN涂層，抗氧化溫度可以達(dá)到1000°C，硬度40GPa，摩擦系數(shù)約0. 7，特別適合于在高速干切削刀具和高溫成型模具領(lǐng)域應(yīng)用。
背景技術(shù)：
硬質(zhì)涂層具有高硬度、抗氧化、耐磨損等優(yōu)異性能，在刀具、模具及機(jī)械耐磨件上具有廣泛應(yīng)用前景。過去的二十多年中，以過渡族金屬的氮化物和碳化物(如TiN、TiC、CrN、TiAlN等)為代表的兩元或三元組分的硬質(zhì)涂層一直應(yīng)用于工具、模具表面的涂覆處理，顯著提高了工具、模具的加工效率和使用壽命。當(dāng)前，以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)的先進(jìn)制造技術(shù)正向高速、干切削方向發(fā)展，此時(shí)刀具涂層的使用溫度要求在800°C以上，硬度大于30GPa，以保證刀具在高速干切削條件下，仍然具有良好的紅硬性、耐磨性和抗氧化性能。因此，TiN、TiC、CrN等傳統(tǒng)硬質(zhì)涂層已無法滿足刀具的使用要求，于是開發(fā)高性能硬質(zhì)涂層就成為改善高速切削刀具的使用壽命和生產(chǎn)效率的急需攻克的技術(shù)難題。在此背景下，國外近年發(fā)展的納米復(fù)合超硬涂層取得了明顯的應(yīng)用效果。所謂納米復(fù)合超硬涂層是指納米尺寸的晶相均勻鑲嵌于非晶骨架基體中形成的微觀復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖I所示。與傳統(tǒng)硬質(zhì)涂層不同，由于納米復(fù)合結(jié)構(gòu)特有的組織協(xié)調(diào)性，使此類涂層顯示出很高的硬度O 40GPa)、良好的高溫抗氧化性能O 800°C)等，在嚴(yán)酷服役條件下的高速干切削刀具和高溫成型模具領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。TiSiN是早期納米復(fù)合超硬涂層的典型代表，其硬度在40GPa以上，但高溫抗氧化溫度只能達(dá)到800°C。近年來，為進(jìn)一步提高TiSiN超硬涂層的抗氧化溫度，國外開始在TiSiN涂層中加入高溫性能優(yōu)異的Al元素，獲得了具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的TiAlSiN超硬涂層，它的抗氧化溫度可以提高到1000°C以上。納米復(fù)合超硬涂層制備方法現(xiàn)今主要分為三類，一是磁控濺射沉積技術(shù)，該方法具有成分調(diào)控和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方便，以及膜層致密和表面光潔度高等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用在裝飾工件和部分工模具上。但磁控濺射的主要缺點(diǎn)是涂層結(jié)合強(qiáng)度不高，沉積速率較慢，難以滿足嚴(yán)酷服役條件下的工件表面強(qiáng)化要求。二是電弧離子鍍沉積技術(shù)，電弧離子鍍具有沉積速率快、結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，目前主要應(yīng)用在各種基體材料的刀具和模具上。但電弧離子鍍涂層中的液滴由于制備原理本身的限制，始終無法徹底消除，導(dǎo)致涂層結(jié)構(gòu)較為疏松，表面粗糙度差等。三是以脈沖直流PCVD為代表的等離子體輔助化學(xué)氣相沉積，該方法建立在化學(xué)氣相沉積基礎(chǔ)上，因此，涂層具有較高的結(jié)合強(qiáng)度和良好的綜合使用性能，但主要不足是沉積溫度較高，涂層中的Cl含量無法完全消除而影響涂層腐蝕性能和力學(xué)性能。目前該技術(shù)主要應(yīng)用在硬質(zhì)合金基體的刀具和模具上。 如上所述，現(xiàn)今國內(nèi)外納米復(fù)合超硬涂層的制備均是采用單一的磁控濺射、電弧離子鍍或脈沖直流PCVD技術(shù)。針對上述幾種方法的缺點(diǎn)，申請人開發(fā)出一種采用電弧與磁控灘射復(fù)合鍛膜技術(shù)(Hybrid Arc-Magnetron Sputtering Deposition, HAMSD),制備TiAlSiN納米復(fù)合超硬涂層的新方法。該方法通過引入電弧放電到磁控濺射沉積涂層過程中，通過電弧離子鍍先在基體表面制備一層TiN過渡層，顯著提高了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，隨后，TiAlSiN涂層由電弧沉積和磁控濺射沉積復(fù)合完成。這一獨(dú)特的復(fù)合沉積工藝既保證了涂層結(jié)合強(qiáng)度的提高，又保證了涂層沉積速率、涂層致密性和抗氧化性能的提高。

發(fā)明內(nèi)容
基于上述傳統(tǒng)硬質(zhì)涂層性能的不足，以及現(xiàn)有納米復(fù)合超硬涂層制備技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于，提供一種耐磨損和抗氧化性能優(yōu)異的TiAlSiN納米復(fù)合超硬涂層制備的新方法，該方法制備的TiAlSiN涂層材料，應(yīng)用于高速切削刀具和高溫使用的模具表面涂覆處理后，有望顯著提高它們的使用壽命和加工效率。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取如下的解決方案一種耐磨損和抗氧化的納米復(fù)合TiAlSiN超硬涂層的制備方法，其特征在于，該 方法包括下列步驟I)將基體預(yù)處理后放入電弧與磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備中的轉(zhuǎn)架桿上，該轉(zhuǎn)架桿隨轉(zhuǎn)架臺轉(zhuǎn)動，或者自轉(zhuǎn)，以保證鍍膜過程的均勻性；2)以柱弧Ti靶作為Ti源，通過柱弧電源電流控制柱弧Ti靶的濺射率；以平面Si靶、Al靶作為相應(yīng)元素的來源，平面Si靶和Al靶以對靶的方式安置在爐體內(nèi)壁上，通過調(diào)整中頻脈沖電源的功率控制靶的濺射率；采用高純Ar作為主要離化氣體，保證有效的輝光放電過程；采用高純凡作為反應(yīng)氣體，使其離化并與Ti、Si、Al元素結(jié)合，在基體表面沉積形成TiAlSiN涂層；3)制備工藝條件A)工件等離子體清洗工件裝入真空爐后,通入10ml/min的Ar到真空室，當(dāng)真空室氣壓達(dá)到6Pa時(shí)，開偏壓至-IOOOV對真空室工件表面進(jìn)行轟擊清洗，持續(xù)20min ;然后開柱弧Ti靶，柱弧電流60A,利用電弧進(jìn)一步對工件表面轟擊清洗，持續(xù)5min ；B )過渡層制備工件清洗完成后，調(diào)節(jié)Ar流量到20ml/min，將真空室氣壓調(diào)至0. 3Pa，開啟柱弧Ti靶，柱弧電流為60A，調(diào)整偏壓到-500V，然后通入流量為10ml/min的N2,在工件表面鍍制一層約I微米厚的TiN過渡層，持續(xù)20min ；OTiAlSiN 涂層制備將偏壓調(diào)整為-100V，按Ar和N2流量比1:2向真空室通入Ar和N2混合氣體，調(diào)整真空室氣壓為0. 3Pa，柱弧Ti靶電流保持60A，打開Si靶、Al靶的控制電源，逐漸將Si靶、Al靶的電源功率分別調(diào)至3kW、5kW，在TiN過渡層上進(jìn)行TiAlSiN涂層制備，鍍膜過程中真空室溫度為200°C，鍍膜時(shí)間140min，即可在基體表面上獲得TiAlSiN納米復(fù)合超硬涂層。經(jīng)測定，采用本發(fā)明方法制備的TiAlSiN涂層，厚度為3. 5微米，化學(xué)成分含量為Ti 25at. %，A1 16at. %, Si llat. %,N 48at. %。涂層顯微硬度40GPa，在室溫干摩擦和對副為GCrl5條件下，銷盤實(shí)驗(yàn)測出的TiAlSiN涂層的摩擦系數(shù)約為0. 7，表明涂層具有優(yōu)良的耐磨損性能。將所制備的TiAlSiN涂層在空氣爐中加熱到1000°C，保溫I小時(shí)，冷卻到室溫后，外觀檢測沒有發(fā)現(xiàn)涂層表面有氧化，或開裂及脫落現(xiàn)象，通過X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)微觀檢測，TiAlSiN涂層表面沒有出現(xiàn)任何形式的氧化產(chǎn)物，證實(shí)TiAlSiN涂層抗氧化溫度可以達(dá)到1000°C，表明涂層具有優(yōu)良的抗氧化性能。


圖I為納米復(fù)合超硬涂層材料微觀結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為電弧與磁控濺射復(fù)合鍍膜(HAMSD)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為納米復(fù)合TiAlSiN超硬涂層截面結(jié)構(gòu)形貌。
圖4為納米復(fù)合TiAlSiN超硬涂層表面形貌。圖5為納米復(fù)合TiAlSiN超硬涂層摩擦系數(shù)曲線。以下結(jié)合附圖和發(fā)明人給出的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式本實(shí)施例給出一種采用電弧與磁控濺射復(fù)合鍍膜技術(shù)(HAMSD)，在高速鋼表面制備TiAlSiN納米復(fù)合超硬涂層的方法，參見圖1、2、3、4、5。需要說明的是，本發(fā)明的方法制備的耐磨損和抗氧化的TiAlSiN納米復(fù)合超硬涂層，可以在任何刀具、模具選用的材料上進(jìn)行，并不限于該實(shí)施例。本實(shí)施例的具體制備過程是(I)采用經(jīng)1170°C淬火，550°C回火后的硬度為HRC=60的高速鋼基體作為樣品，經(jīng)表面除油、拋光后浸入丙酮中超聲波清洗，酒精脫水；(2)將預(yù)處理好的樣品作為基體材料放入電弧與磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備中。如圖2所示，電弧與磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備至少包括真空室I、轉(zhuǎn)臺架2、偏壓3、轉(zhuǎn)架桿4、平面Si靶和平面Al靶5、永磁體6、柱弧Ti靶7、加熱器8、泵組9，樣品置于轉(zhuǎn)架桿4上，轉(zhuǎn)架桿4可以隨轉(zhuǎn)臺架2轉(zhuǎn)動，也可以自轉(zhuǎn)，這樣就保證了鍍膜過程的均勻性。(3)采用(j560X495mm柱弧Ti靶7作為Ti源，有效提高膜基結(jié)合強(qiáng)度，通過柱弧電源電流控制柱弧Ti靶7的濺射率；靶材采用尺寸為435X95X IOmm的平面Si靶、435 X 95 X IOmm的平面Al靶5作為相應(yīng)元素的來源，如圖2所示，采用平面對靶的方式將平面Si靶和Al靶安置在爐體內(nèi)壁上，并通過調(diào)整中頻脈沖電源的功率控制上述平面Si靶和Al靶的濺射率；采用高純Ar作為主要離化氣體，保證有效的輝光放電過程；采用高純N2作為反應(yīng)氣體，使其離化并與各靶中的Ti、Si、Al元素結(jié)合，在高速鋼基體表面沉積形成TiAlSiN 涂層。(4) TiAlSiN涂層的優(yōu)化工藝條件為A)工件等離子體清洗工件裝入真空爐后,通入10ml/min的Ar到真空室，當(dāng)真空室氣壓達(dá)到6Pa時(shí)，開偏壓至-IOOOV對真空室工件表面進(jìn)行轟擊清洗，持續(xù)20min ;然后開柱弧Ti靶，柱弧電流60A,利用電弧進(jìn)一步對工件表面轟擊清洗，持續(xù)5min ；B)過渡層制備工件清洗完成后，調(diào)節(jié)Ar流量到20ml/min，將真空室氣壓調(diào)至0. 3Pa，開啟柱弧Ti靶，柱弧電流為60A，調(diào)整偏壓到-500V，然后通入流量為10ml/min的N2,在基體表面鍍制一層約I微米厚的TiN過渡層，持續(xù)20min ；OTiAlSiN 涂層制備將偏壓調(diào)整為-100V，按Ar和N2流量比1:2向真空室通入Ar和N2混合氣體，調(diào)整真空室氣壓為0. 3Pa，柱弧Ti靶電流保持60A，打開Si靶、Al靶的控制電源，逐漸將Si靶、Al靶的電源功率分別調(diào)至3kW、5kW，在TiN過渡層上進(jìn)行TiAlSiN涂層制備，鍍膜過程中真空室溫度為200°C，鍍膜時(shí)間140min。在上述工藝條件下，即可獲得納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的TiAlSiN超硬涂層。
經(jīng)測定，本實(shí)施例制備的TiAlSiN涂層厚度為3. 5微米，化學(xué)成分含量為Ti 25at. %，Al 16at. %，Si llat. %，N 48at. %。涂層顯微硬度40GPa，在室溫干摩擦和對副為GCrl5條件下，通過銷盤實(shí)驗(yàn)對TiAlSiN涂層摩擦磨損性能的試驗(yàn)，測出的TiAlSiN涂層的摩擦系數(shù)約為0. 7，表明涂層具有優(yōu)良的耐磨損性能。將所制備的TiAlSiN涂層在空氣爐中加熱到1000°C，保溫I小時(shí)，冷卻到室溫后，外觀檢測沒有發(fā)現(xiàn)涂層表面有氧化，或開裂及脫落現(xiàn)象，通過X射線衍射晶體結(jié)構(gòu)微觀檢測，TiAlSiN涂層表面沒有出現(xiàn)任何形式的氧化產(chǎn)物，證實(shí)TiAlSiN涂層抗氧化溫度可以達(dá)到1000°C，表明涂層具有優(yōu)良的抗氧化性能。
權(quán)利要求
1.一種耐磨損和抗氧化的納米復(fù)合TiAlSiN超硬涂層的制備方法，其特征在于，該方法包括下列步驟 1)將基體預(yù)處理后放入電弧與磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備中的轉(zhuǎn)架桿上，該轉(zhuǎn)架桿隨轉(zhuǎn)架臺轉(zhuǎn)動，或者自轉(zhuǎn)，以保證鍍膜過程的均勻性； 2)以柱弧Ti靶作為Ti源，通過柱弧電源電流控制柱弧Ti靶的濺射率；以平面Si靶、Al靶作為相應(yīng)元素的來源，平面Si靶和Al靶以對靶的方式安置在爐體內(nèi)壁上，通過調(diào)整中頻脈沖電源的功率控制靶的濺射率；采用高純Ar作為主要離化氣體，保證有效的輝光放電過程；采用高純N2作為反應(yīng)氣體，使其離化并與Ti、Si、Al元素結(jié)合，在基體表面沉積形成TiAlSiN 涂層； 3)制備エ藝條件 A)エ件等離子體清洗 エ件裝入真空爐后，通入10ml/min的Ar到真空室，當(dāng)真空室氣壓達(dá)到6Pa時(shí)，開偏壓至-IOOOV對真空室エ件表面進(jìn)行轟擊清洗，持續(xù)20min ;然后開柱弧Ti靶，柱弧電流60A，利用電弧進(jìn)一步對エ件表面轟擊清洗，持續(xù)5min ； B)過渡層制備 エ件清洗完成后，調(diào)節(jié)Ar流量到20ml/min，將真空室氣壓調(diào)至O. 3Pa，開啟柱弧Ti靶，柱弧電流為60A，調(diào)整偏壓到-500V，然后通入流量為10ml/min的N2，在エ件表面鍍制ー層I微米厚的TiN過渡層，持續(xù)20min ； OTiAlSiN涂層制備 將偏壓調(diào)整為-100V，按Ar和N2流量比1:2向真空室通入Ar和N2混合氣體，調(diào)整真空室氣壓為O. 3Pa，柱弧Ti靶電流保持60A，打開Si靶、Al靶的控制電源，逐漸將Si靶、Al靶的電源功率分別調(diào)至3kW、5kW，在TiN過渡層上進(jìn)行TiAlSiN涂層制備，鍍膜過程中真空室溫度為200°C，鍍膜時(shí)間140min，即可在基體表面上獲得TiAlSiN納米復(fù)合超硬涂層。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述的預(yù)處理包括表面除油、拋光后浸入丙酮中超聲波清洗和酒精脫水。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種耐磨損和抗氧化的納米復(fù)合TiAlSiN超硬涂層的制備方法，將基體預(yù)處理后放入電弧與磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備中，以柱弧Ti靶作為Ti源，通過柱弧電源電流控制柱弧Ti靶的濺射率；以平面Si靶、Al靶作為相應(yīng)元素的來源，平面Si靶和Al靶以對靶的方式安置在爐體內(nèi)壁上，通過調(diào)整中頻脈沖電源的功率控制靶的濺射率；采用高純Ar作為主要離化氣體，保證有效的輝光放電過程；采用高純N2作為反應(yīng)氣體，使其離化并與Ti、Si、Al元素結(jié)合，在基體表面沉積形成TiAlSiN涂層，所制備的TiAlSiN涂層厚度為3.5微米，涂層顯微硬度40GPa，摩擦系數(shù)約為0.7，TiAlSiN涂層抗氧化溫度可以達(dá)到1000℃，具有優(yōu)良的抗氧化性能和耐磨損性能。
文檔編號C23C14/22GK102653855SQ20121013926
公開日2012年9月5日 申請日期2012年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月5日
發(fā)明者馬勝利 申請人:馬勝利