[發明專利]一種TiCuN納米復合涂層及其制備方法

有效

• 申請號: 201310098484.3
• 申請日: 2013-03-26
• 公開（公告）號: CN103160783A
• 公開（公告）日: 2013-06-19
• 發明（設計）人: 趙彥輝;于寶海;于傳躍;趙鵬
• 申請（專利權）人: 沈陽金鋒特種刀具有限公司
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/38
• 代理公司: 沈陽科威專利代理有限責任公司 21101
• 代理人: 王勇

技術領域：

本發明屬于金屬材料表面沉積納米復合涂層技術領域，具體涉及一種氮化鈦銅（以下稱TiCuN）納米復合涂層及其制備方法。

背景技術：

目前，隨著國家先進制造技術的發展，對傳統的硬質合金或者高速鋼刀具提出了越來越高的要求。以數控機床為代表的機加工技術正朝著高速、高精度、高可靠性等方向發展。數控刀具表面涂層技術，尤其是以CVD及PVD制備的以TiN為代表的涂層刀具在提高各種合金的加工效率過程中獲得了廣泛的應用，以及隨后開發出TiC、TiCN、TiAlN、AlTiN、CrAlN等涂層被開發出來并獲得實際應用，但是因為切削過程中的高溫對涂層的氧化、切屑對涂層的粘著磨損以及涂層本身的脆性問題，上述合金的加工難題并未得到徹底解決。例如，TiAlN涂層具有高硬度及良好的抗高溫氧化性能，明顯提高了加工效率及刀具使用壽命，但其較高的脆性及摩擦系數，限制了TiAlN等涂層在高速、干切削及難切削合金等材料的應用，還限制了其在高精度模具及其它耐磨減摩工件涂層方面的實際應用。

如何進一步降低TiAlN等涂層的脆性，突破當前涂層內應力大、膜基結合力差的問題，放置涂層在磨損之前因韌性較差而脫落上上述涂層需要繼續完善的目標。

為解決以上問題，在20世紀末提出了納米復合涂層的概念，即由納米晶-納米晶或納米晶-非晶形成的兩相或兩相以上的復合結構，該復合涂層得到了一定開發與應用，如Blazers、Platit等國際涂層大公司開發了電弧離子鍍制備的nc-TiN/a-Si3N4納米復合涂層，其抗高溫氧化性能和韌性得到了一定提高，但在實際應用中，nc-TiN/a-Si₃N₄納米復合涂層的高摩擦系數導致切削過程中產生大量熱量，涂層刀具前刀面依然產生積屑瘤，且其韌性仍有待進一步改善。

因此，制備一種能具有較高硬度與高韌性且具有較低摩擦系數的新型復合涂層，對進一步提高刀模具性能及使用壽命十分必要。

發明內容

本發明的技術目的是針對現有涂層材料體系的不足，提供一種具有較高硬度與高韌性且具有較低摩擦系數的TiCuN納米復合涂層及其制備方法。

本發明實現上述目的采用的技術方案為：

一種TiCuN納米復合涂層，它包括基體，其特征在于：在基體表面依次是鈦銅（以下稱TiCu）膜形成的過渡層和TiCuN層。所說的基體是指硬質合金、高速鋼、耐熱模具鋼的工具或模具等。

所說的TiCuN納米復合涂層的制備方法，其特征在于：

（1）鍍過渡層：采用鈦銅合金靶，當真空室內真空度達到5×10^-3Pa~1×10^-2Pa時，對真空室加熱至300~500oC；向真空室通入氬氣，設定所需的氣體流量為20～200sccm，氣壓控制在0.5～2Pa之間；基體加脈沖負偏壓在-500～-1000V范圍，使氣體發生輝光放電，對樣品進行輝光清洗5～30分鐘；調整氬氣流量，使真空室氣壓為0.3～0.8Pa，同時開啟鈦銅合金靶弧源，弧電流為80～100A，對樣工件繼續進行Ti⁺及Cu⁺轟擊1～5分鐘；調脈沖負偏壓至-300V～-600V，沉積TiCu膜即過渡層1~5分鐘；

（2）鍍TiCuN層：停氬氣，通氮氣，氮氣流量控制在10～200sccm，設定氣壓為0.1～1Pa范圍；對基體施加脈沖負偏壓-300V～-900V；調制靶電流為70～80A，沉積時間為30~120分鐘；

（3）沉積結束后，迅速停弧、停基體脈沖負偏壓、停止通入氣體，繼續抽真空，工件隨爐冷卻至50℃以下，全部的鍍層過程結束。

在所使用的鈦銅合金靶的靶材中，銅的含量為5-15%（重量百分比）。TiCuN納米復合涂層的厚度為2-5微米，TiCuN納米復合涂層的納米壓痕硬度值為30GPa以上，TiCuN納米復合涂層與鋼球對磨的摩擦系數在0.3以下。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、本發明是在基體表面形成由鈦銅膜形成的過渡層和TiCuN層構成的納米復合涂層，膜基結合力達到70N以上。

2、本發明選擇與TiN完全不固溶的Cu加入TiN薄膜中，不固溶的Cu偏析在TiN晶界位置，細化了TiN的晶粒尺寸，而Cu也以納米晶或非晶結構析出，容易發生塑性變形的金屬Cu的加入不僅大大降低了涂層內應力，提高了涂層硬度及斷裂韌性，而且對TiN的磨損起到潤滑和減摩作用，大大降低了涂層的摩擦系數。

附圖說明：