[發(fā)明專利]一種AlN/ZrN納米多層膜制備工藝

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110054870.3
• 申請(qǐng)日: 2011-03-08
• 公開（公告）號(hào): CN102140620A
• 公開（公告）日: 2011-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宋忠孝;徐可為;田增瑞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安宇杰表面工程有限公司
• 主分類號(hào): C23C14/06
• 分類號(hào): C23C14/06;C23C14/35
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 陸萬壽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種刀具用多層膜制備工藝，尤其是一種AlN/ZrN納米多層膜材料及其制備工藝。

背景技術(shù)

隨著制造業(yè)發(fā)展，高速、干式切削技術(shù)對(duì)刀具涂層的性能提出了更高的要求，除了要求具有更高的硬度和低摩擦系數(shù)等力學(xué)性能外，還要求涂層具有更高的抗高溫氧化性。物理氣相沉積(PVD)技術(shù)處理溫度低，對(duì)環(huán)境無不利影響，符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家自上世紀(jì)九十年代初就開始致力于硬質(zhì)合金刀具PVD涂層技術(shù)的研究，至九十年代中期取得了突破性進(jìn)展，PVD涂層技術(shù)已普遍應(yīng)用于硬質(zhì)合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉(zhuǎn)位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。

PVD涂層技術(shù)的新進(jìn)展，顯示了涂層技術(shù)對(duì)提高刀具性能的巨大潛力和獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可不斷開發(fā)出新的高性能涂層，涂層成分由第一代的TiN發(fā)展為TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多元復(fù)合涂層。ZX涂層(即TiN-AlN涂層)等納米級(jí)涂層的出現(xiàn)使PVD涂層刀具的性能有了新突破。這種新涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，涂層膜硬度接近CBN，抗氧化性能好，抗剝離性強(qiáng)，而且可顯著改善刀具表面粗糙度，但是研究發(fā)現(xiàn)納米多層膜比單層薄膜不僅具有更優(yōu)異的力學(xué)性能，而且也有更高的抗高溫氧化性。因而本發(fā)明嘗試開發(fā)具有更優(yōu)異性能的AlN/ZrN納米多層刀具膜及其制備技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種具有高性能的AlN/ZrN納米多層刀具膜及其制備工藝，該AlN/ZrN納米多層膜是由ZrN和AlN交替組成的多層膜。

本發(fā)明提出開發(fā)將具有高抗氧化性的AlN薄膜與ZrN薄膜組成納米多層膜提高薄膜體系的力學(xué)性能與抗氧化性。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是：AlN/ZrN納米多層膜為AlN納米膜與ZrN納米膜組成多層膜，具體方法：同時(shí)啟動(dòng)脈沖電源濺射Al靶和Zr靶，調(diào)整基體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及兩種靶材的濺射功率改變薄膜調(diào)制周期，AlN納米膜與ZrN納米膜的單層厚度分別為0.5～2nm和1～10nm。薄膜總厚度控制為2～3m。

該材料的制備工藝為：

1)選取靶材：分別以選取純Zr和純Al為靶材，以20×20mm高速鋼片為基體；

2)進(jìn)行薄膜沉積：濺射氣體為N₂/Ar混合氣體，采用反應(yīng)磁控濺射，沉積薄膜厚度為2～3μm；反應(yīng)磁控濺射采用脈沖電源，對(duì)基體施加50-200V的負(fù)偏壓，濺射氣壓為0.3Pa，N₂分壓為0.06-0.09Pa。調(diào)整基體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及兩種靶材的濺射功率改變薄膜調(diào)制周期，AlN納米膜與ZrN納米膜的單層厚度分別為0.5～2nm和1～10nm。薄膜總厚度控制為2～3μm。所沉積的AlN/ZrN納米多層膜具有很高的硬度和抗氧化溫度。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1，本發(fā)明AlN/ZrN納米多層膜制備方法具體參數(shù)為：真空室的背低真空度為2×10^-3Pa，采用脈沖電源，對(duì)基體施加100V的負(fù)偏壓，濺射氣體總流量為20sccm，濺射氣壓為0.3Pa，N₂分壓為0.06Pa，Ar分壓為0.24Pa，Zr靶濺射功率為60W，沉積時(shí)間10秒，Al靶濺射功率10W，沉積時(shí)間2秒，基體溫度低于180℃，由此得到的多層膜中ZrN層的厚度為3nm，AlN層厚度為0.4nm，薄膜厚度為2μm，薄膜硬度為29GPa，抗氧化溫度高于1000℃。

實(shí)施例2，本發(fā)明AlN/ZrN納米多層膜制備方法具體參數(shù)為：真空室的背低真空度為2×10^-3Pa，采用脈沖電源，對(duì)基體施加100V的負(fù)偏壓，濺射氣體總流量為20sccm，濺射氣壓為0.3Pa，N₂分壓為0.06Pa，Ar分壓為0.24Pa，Zr靶濺射功率為60W，沉積時(shí)間10秒，Al靶濺射功率20W，沉積時(shí)間2秒，基體溫度低于180℃，由此得到的多層膜中ZrN層的厚度為3nm，AlN層厚度為0.6nm，薄膜厚度為2μm，薄膜硬度為32GPa，抗氧化溫度高于1000℃。