[發明專利]一種多弧離子鍍超晶格納米復合涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201210090578.1
• 申請日: 2012-03-30
• 公開（公告）號: CN102605324A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 張世宏;蔡飛;方煒;李偉
• 申請（專利權）人: 馬鞍山多晶金屬材料科技有限公司
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/32
• 代理公司: 安徽匯樸律師事務所 34116
• 代理人: 胡敏

技術領域

本發明涉及的是一種精密模具和高速切削工具表面鍍膜強化處理工藝，尤其涉及的是一種多弧離子鍍超晶格納米復合涂層及其制備方法。

背景技術

過渡族金屬氮化物涂層因具有較高的硬度和較好的抗磨損性能，廣泛用作模具表面改性材料。所得涂層須具有如下的特征：良好的結合力、足夠的厚度、適當的力學性能(硬度和強度)、抗熱擾動性能和高溫穩定性。氮化鈦基薄膜由于其較高的硬度和較好的抗磨損性能等優點，已經在模具和切削工具上得到了廣泛的應用。

隨著加工制造業的迅速發展，對模具提出了越來越高的要求，也為其發展提供了巨大的動力。近年來，模具行業結構調整步伐加快，主要表現為大型、精密、復雜、長壽命模具標準件、模具標準件發展速度高于行業的總體發展速度，尤其是IT、汽車、高新技術行業對精密模具的要求越來越高。目前精密模具表面改性的方法主要有滲氮、滲碳和硬化薄膜沉積，其中滲碳和滲氮技術形成的表面改性層硬度較低、抗磨損性性能不足、抗高溫性能較差，遠不能達到提高精密模具壽命的要求。硬化薄膜沉積技術制備的硬質涂層可滿足高硬度、優良的抗磨損和抗高溫性能，成為最有前景的精密模具表面改性技術之

TiN作為最普通的硬質涂層已經廣泛的用于模具和切削工具行業，但TiN涂層由于較低的抗磨損性能、較差的抗氧化性能和低的熱紅硬性(500℃其硬度就開始急劇下降)等缺點，限制了其在精密模具和高速切削工具上的進一步應用。近年來，不斷致力于高性能涂層強化精密模具和高速切削工具的進一步開發與應用，如在TiN基涂層基礎上，加入B、Si、Cr、W、等元素形成Ti-B-N、Ti-Cr-N、Ti-Si-N、Ti-Al-Si-N、Ti-Si-C-N、Ti-W-Al-N等三元或者四元涂層。

在1995年，德國科學家Stan?Veprek等人提出了新的超硬納米復合膜的設計理念，即由小于15nm的納米晶或者非晶兩相物質層交替生長而形成的超晶格結構，并且，此結構的調制周期是均勻、固定的。實驗研究表明：由納米尺度的兩相物質交替沉積形成的精細結構多層膜具有硬度異常增加的超硬性效應；此外，這種特殊的結構對改善涂層摩擦學性能也有很好的效果。但是這種涂層由于具有較高的內應力和脆質相Si3N4的加入，降低了薄膜的韌性以及與基體的結合強度，限制了其在精密模具上的應用。納米多層化(超晶格)和后處理(熱處理)是改善超硬薄膜韌性的重要手段。一方面，目前超硬薄膜的納米多層化主要是磁控濺射技術，但這種制備薄膜的技術沉積效率低下，難以大規模工業化生產；另一方面，真空退火雖然能夠降低超硬薄膜中的內應力，但隨著溫度的升高，尤其是超過1000℃以上時，力學性能降低。

總體而言，盡管目前對氮化鈦基涂層的研究較多，但是利用多弧離子鍍獲得超高硬度、高熱穩定性能、且具有良好韌性的TiN基納米復合涂層精密模具未見報道。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供了一種多弧離子鍍超晶格納米復合涂層及其制備方法，使得多晶格氮化鈦基納米復合涂層在精密模具和高速切削工具上得以工業化應用。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括納米過渡層、立方結構的TiN層和六方結構的AlSiN層，所述立方結構的TiN層和六方結構的AlSiN層交替沉積在納米過渡層上，所述納米過渡層是Ti/TiN的復合物層，所述六方結構的AlSiN層的界面上設有立方結構的AlSiN層。

所述立方結構的TiN層和六方結構的AlSiN層的調制周期為7～9nm。

所述納米復合涂層的總厚度為4～6μm，納米過渡層的厚度為1～2μm。

所述納米復合涂層中含有晶化的Si₃N₄相。

一種多弧離子鍍超晶格納米復合涂層的制備方法，包括以下步驟：

(1)在真空室的兩側分別設置第一中頻電弧源和第二中頻電弧源，N₂和Ar氣體接入真空室中；

(2)將拋光、清洗后的工件夾持在夾具上，夾具設置在轉臺上，轉臺位于真空室中；

(3)往真空室內通入Ar氣，加負偏壓對工件表面進行Ar離子轟擊清洗去除工件表面殘余物后，降低負偏壓；

(4)啟動第一中頻電弧源，沉積生成Ti層，然后通入N₂氣體，沉積生成TiN層；

(5)啟動第二中頻電弧源，首先沉積AlSiN層，然后旋轉試樣，使得試樣間隙的暴露在兩個中頻電弧源之間，交替沉積生成立方結構的TiN層和六方結構的AlSiN層，真空室冷卻到室溫即可。