本發(fā)明涉及一種新型涂層制備技術(shù)，具體地說是一種高硬度和高Al含量的AlCrN納米復(fù)合涂層的制備工藝。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，鈦合金、高溫合金和超高強(qiáng)度鋼等難加工材料的廣泛應(yīng)用，針對各種難加工材料的高速超高速切削、高速硬態(tài)切削、綠色干切削和精密超精密切削等先進(jìn)機(jī)械加工工藝層出不窮。采用涂層技術(shù)可有效提高切削刀具使用壽命、切削效率和加工表面質(zhì)量，使刀具獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，從而大幅度提高機(jī)械加工效率。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化和摩擦系數(shù)小等特點(diǎn)，涂覆在刀具上，其作為化學(xué)屏障和熱屏障，可以減少刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，減少月牙洼磨損，目前發(fā)達(dá)國家已超過80%的刀具上會使用涂層刀具，并還在不斷上升。
CrN涂層具有很好的抗高溫氧化性能，耐蝕性能和抗粘著磨損性能，廣泛應(yīng)用于各種切削刀具和模具上。但是單一的CrN涂層硬度不高，因而抗磨料磨損性能差。為進(jìn)一步提高CrN的硬度和抗磨料磨損性能，通常在CrN涂層中添加元素Al或Si等元素，通過固溶強(qiáng)化或細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制，以提高涂層的硬度。Al元素的原子半徑比Cr小，固溶于CrN相，可以細(xì)化晶粒。另外，Al在高溫下可以形成穩(wěn)定的Al2O3膜，Al2O3比Cr2O3在高溫下更加穩(wěn)定，同時與基體具有更低的PBR值，可以降低氧化膜與涂層之間的生長應(yīng)力，從而具有更好的抗高溫氧化性能。有研究表明：涂層中Al含量越高，涂層的硬度和抗高溫氧化性能更高。但涂層中Al含量過高，Al/(Al+Cr)比值超過77 at.%時，Al與N元素會形成低硬度的六方相AlN（12 GPa），降低涂層的硬度、彈性模量等力學(xué)性能。為了防止hcp-AlN相形成，同時充分發(fā)揮有效元素Al的作用，本發(fā)明采用電弧離子鍍技術(shù)在高速鋼和硬質(zhì)合金基片上制備了一種高Al含量的AlxCr1-xN涂層（x=0.5~0.75）。該涂層由面心立方體結(jié)構(gòu)的（Al，Cr）N相組成，具有較高的硬度、抗高溫氧化性能和耐蝕性能，能夠廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高速干切削加工領(lǐng)域，以提高刀具的使役壽命，降低切削液的使用量，實(shí)現(xiàn)綠色制造。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種兼具高硬度、高耐蝕性和高熱穩(wěn)定性能的AlCrN納米復(fù)合涂層及其制備工藝。
本發(fā)明的技術(shù)方案為：
采用電弧離子鍍技術(shù)在金屬或硬質(zhì)合金基體上沉積AlCrN納米復(fù)合涂層。為更好地調(diào)控涂層中Al和Cr元素的成分，分別采用純Cr金屬和純Al金屬作為靶材（純度均為99.9 wt.%，直徑80 mm）。4個純Cr靶和4個純Al靶相間地均勻分布在爐子的內(nèi)腔周圍，以保證沉積過程中爐腔內(nèi)具有均勻的高等離子體濃度。在沉積AlCrN涂層之前，采用-600~1000 V偏壓，對基片進(jìn)行輝光清洗。隨后開啟Cr靶，繼續(xù)采用高的負(fù)偏壓轟擊清洗基體，之后降低偏壓至-30~100 V在基體表面沉積一層10~300 nm厚的純金屬Cr層，以提高涂層與基體之間的結(jié)合力。隨后通入N2，沉積一層10~300 nm厚的CrN層。開啟純Al靶，實(shí)現(xiàn)Al和Cr共濺射，沉積AlCrN涂層。沉積過程中，嚴(yán)格控制爐腔內(nèi)的沉積壓強(qiáng)、通入Ar和N2氣體的流量和各個靶的電源功率，以制備出結(jié)構(gòu)致密、硬度高、韌性好的納米復(fù)合涂層AlCrN。
沉積參數(shù)：
將預(yù)處理后的基片放進(jìn)鍍膜室轉(zhuǎn)架上，轉(zhuǎn)架公轉(zhuǎn)速度為5~40 r/min，靶基距約為150 mm；采用機(jī)械泵和分子泵抽真空使真空室氣壓達(dá)到1×10-3 Pa以下，打開加熱系統(tǒng)將爐腔加熱至200~500 oC；打開Ar氣流量閥為50~150 sccm，調(diào)整真空室壓強(qiáng)為0.1~2 Pa，基片加-600~1000 V負(fù)偏壓，進(jìn)行輝光清洗10~20 min。開啟4個純Cr靶，靶材電流均為50~150 A，對基體進(jìn)行轟擊清洗5~30 min；隨后調(diào)整負(fù)偏壓至-30~100 V，沉積純Cr金屬層約5~20 min；打開N2氣流量閥50~200 sccm，調(diào)整真空室壓強(qiáng)為0.3~2 Pa，并控制N2/Ar比在0.5~3之間，沉積CrN層5~20 min；開啟4個純Al靶，電流為50~150 A，沉積AlCrN涂層，時間為30~200 min。沉積時間的長短根據(jù)所需要的涂層厚度而定。
該AlCrN納米復(fù)合涂層可應(yīng)用于各種金屬及硬質(zhì)合金基體；也可應(yīng)用于陶瓷材料表面。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：
1. 本發(fā)明研制的AlCrN納米復(fù)合涂層具有較高的硬度和韌性，摩擦系數(shù)低，耐磨性能好。
2. 本發(fā)明研制的AlCrN納米復(fù)合涂層具有較高的高溫?zé)岱€(wěn)定性能和耐蝕性能，可用于高速干切削加工領(lǐng)域。
3. 本發(fā)明研制的AlCrN涂層厚度均勻且結(jié)構(gòu)致密，與基體具有良好的結(jié)合強(qiáng)度。
4. 本發(fā)明研制的AlCrN納米復(fù)合涂層制備工藝重復(fù)性好，應(yīng)用范圍廣，具有非常強(qiáng)的實(shí)用性。
附圖說明
圖1為采用電弧離子鍍技術(shù)制備的AlCrN納米復(fù)合涂層的XRD衍射譜圖。
具體實(shí)施方式
下面通過實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1
本實(shí)施例為在拋光處理后的高速鋼片上沉積AlCrN納米復(fù)合涂層，試樣尺寸為25×30×1 mm?；群笤诒?、酒精和蒸餾水中各超聲清洗20 min，然后用高純N2吹干，再放置于AIP-650型電弧離子鍍膜機(jī)內(nèi)正對靶材的試樣架上，轉(zhuǎn)架公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速選為10 r/min，靶基距為150 mm。靶材分別選用純金屬Cr和Al（純度均為99.99 wt. %），工作氣體和反應(yīng)氣體分別選用高純Ar和N2（純度均為99.999%）。
先將真空室的本底真空抽至1.0×10-3 Pa以下；打開加熱系統(tǒng)，升溫至400 ℃，然后在真空室內(nèi)通入Ar氣60 sccm至鍍膜腔室內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到1 Pa，加-800 V負(fù)偏壓，輝光清洗20 min。開啟4個純Cr靶（靶電流選為80 A）對試樣表面進(jìn)行轟擊清洗，持續(xù)時間10 min；隨后降低偏壓至-50 V，先沉積金屬Cr過渡層，沉積時間為10 min，通入反應(yīng)氣體N2（純度99.999%）120 sccm，保持氮?dú)饬髁勘萅2/Ar為2，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥大小，使工作氣壓為0.8 Pa，沉積CrN層10 min。開啟4個Al靶，調(diào)節(jié)Al靶電流為100 A，沉積AlCrN納米復(fù)合涂層；鍍膜時間持續(xù)60 min。
圖1為本發(fā)明工藝下制備的AlCrN納米復(fù)合涂層的XRD衍射譜圖，可以看出AlCrN涂層由面心立方結(jié)構(gòu)的（Al，Cr）N涂層組成，沒有硬度低的六方相AlN生成。EDS測試涂層成分組成為35.55 at.% Al, 15.79 at.% Cr和48.66 at.% N。其中Al/(Al+Cr)原子百分比為0.692。涂層厚度為3.8 μm，硬度約為31.8 GPa。
實(shí)施例2
本實(shí)施例為在經(jīng)拋光處理的硬質(zhì)合金基片YG8上沉積AlCrN納米復(fù)合涂層，試樣尺寸為19×19×2 mm。基片先后在丙酮、酒精和蒸餾水中各超聲清洗20 min，然后用高純N2吹干，再放置于國產(chǎn)AIP-650型電弧離子鍍膜機(jī)內(nèi)正對靶材的試樣架上，轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速選為20 r/min，靶基距為150 mm。靶材分別選用純金屬Cr和Al（純度均為wt. 99.9%），工作氣體和反應(yīng)氣體分別選用Ar和N2（純度均為99.999%）。
先將真空室的本底真空抽至1.0×10-3 Pa以下。打開加熱系統(tǒng)，升溫至450 ℃，然后在真空室內(nèi)通入Ar氣90 sccm至鍍膜腔室內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到1 Pa，加-700 V負(fù)偏壓，輝光清洗20 min。開啟4個純Cr靶（靶電流選為60 A）對試樣表面進(jìn)行轟擊清洗，持續(xù)時間15 min；隨后降低偏壓至-50 V，先沉積純金屬Cr過渡層，沉積時間為10 min，通入反應(yīng)氣體N2（純度99.999%）180 sccm，保持N2/Ar流量比為2，工作氣壓為0.8 Pa，沉積20 min，沉積CrN層。同時開啟4個Al靶，調(diào)節(jié)Al靶電流為70 A，沉積納米復(fù)合AlCrN涂層；鍍膜時間持續(xù)70 min。
涂層的相組成和組織結(jié)構(gòu)與實(shí)施案例1中AlCrN納米復(fù)合涂層相同，由面心立方結(jié)構(gòu)的（Al，Cr）N涂層組成。EDS測試涂層表面元素成分為：31.35 at.% Al, 15.57 at.% Cr和53.08 at.% N，其中Al/(Al+Cr)原子百分比為0.668。涂層厚度約為4.2 μm，硬度高達(dá)34.9 GPa。