[發明專利]硼化鈦/氮化硅納米多層涂層及其制備方法

無效

• 申請號: 201010237724.X
• 申請日: 2010-07-27
• 公開（公告）號: CN101886242A
• 公開（公告）日: 2010-11-17
• 發明（設計）人: 張晶晶;許輝;祝新發;李玉閣;李戈揚
• 申請（專利權）人: 上海工具廠有限公司;上海交通大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/34
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種切削工具技術領域的涂層及其制備方法，特別是一種TiB₂/Si₃N₄納米多層涂層及其制備方法。

背景技術

由于其機械加工效率高，環境污染少，切削速度≥100m/min的高速切削及無冷卻液的干式切削方式正日益成為切削技術發展的主流，這些先進的切削技術對刀具涂層的性能提出了更高的要求。不僅要求刀具涂層硬度高，還需要涂層具有低的摩擦系數，以及較高的抗氧化能力。現有的刀具涂層尚未全面滿足這些要求。如目前工業上廣泛應用的TiAlN涂層，雖然涂層的抗氧化溫度可達800℃，但作為高速銑削刀具和螺紋刀具的涂層使用時，其摩擦系數偏高。另外，TiAlN涂層約35GPa的硬度也有進一步提高的必要。硼化鈦(TiB₂)是一種具有高硬度和高穩定性的化合物，其硬度為35GPa，不但高于各種過渡金屬氮化物的硬度，而且TiB₂的摩擦系數也低于多數過渡金屬氮化物，更宜用于需優異減磨性能的高速銑削刀具和螺紋刀具的表面涂層。但是，TiB₂涂層的抗氧化溫度不超過750℃，仍不能滿足高速切削和干式切削對涂層提出的要求。因而目前生產上急需一種高硬度、低摩擦系數并兼具高抗氧化溫度的涂層，以滿足高速銑削刀具和螺紋刀具在干式切削工況下的要求。

對現有技術進行的檢索發現：

為了提高刀具涂層的抗氧化性，已有的專利技術(如美國專利US6565957，US6638571，US5766782和中國專利95108982.X等)采用在TiN等涂層的表面或中間增加一層或多層0.1～8μm厚度的Al₂O₃層，使之與氮化物層形成多層結構的涂層。盡管致密的Al₂O₃層能顯著提高涂層的抗氧化性，但由于Al₂O₃的硬度遠低于氮化物，這種氮化物和Al₂O₃組成的多層涂層的硬度會明顯降低，從而影響到刀具涂層切削功能的有效發揮。

美國專利US6333099B1也提供了一種具有優良抗氧化性能的MeN/Al₂O₃納米多層涂層，該涂層中的過渡族金屬氮化物可以是Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W、Al等元素或者它們混合物的氮化物，寫作MeN。該納米多層涂層由兩種層厚分別為0.1～30nm的MeN層和Al₂O₃層交替沉積而形成成分周期變化的多層結構。涂層總厚度為0.5～20μm。這種涂層的硬度不低于其組成物MeN和Al₂O₃單層涂層的硬度。雖然該技術提出的這種MeN/Al₂O₃納米多層涂層可以用化學氣相沉積方法(CVD)和物理氣相沉積方法(PVD)制備，但并未涉及具體技術措施和手段。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術存在的上述不足，提供一種TiB₂/Si₃N₄納米多層涂層及其制備方法。本發明具有高硬度和高抗氧化性能，不但提高了現有TiB₂涂層的硬度，保持了TiB₂涂層的低摩擦系數，并使涂層的抗氧化性得到顯著提高。本發明可作為高速銑削和螺紋刀具的表面涂層材料。

本發明是通過以下技術方案實現的：

本發明的涉及TiB₂/Si₃N₄納米多層涂層是由TiB₂和Si₃N₄兩種材料交替沉積形成納米量級的多層結構，在多層結構中的每一個雙層結構，Si₃N₄層的厚度為0.2～0.8nm，TiB₂層的厚度為2～8nm，納米多層涂層的總厚度為1～4μm。

所述的Si₃N₄層為氣相沉積非晶結構；

所述的TiB₂層模板效應下被強制晶化的六方晶體結構；

在所述的TiB₂及其(0001)晶體面上形成共格外延生長的超晶格柱狀晶。