[發明專利]一種ZrNbAlN超晶格涂層及制備方法

有效

• 申請號: 201410198397.X
• 申請日: 2014-05-12
• 公開（公告）號: CN103938157A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 石永敬;萬新;潘復生;周安若;王聯;王純祥
• 申請（專利權）人: 重慶科技學院
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/35;B23B27/00
• 代理公司: 北京一格知識產權代理事務所(普通合伙) 11316
• 代理人: 劉佳

技術領域

本發明屬于金屬材料領域，具體涉及一種具有ZrNbAlN超晶格涂層，以及沉積該涂層的工具或工模具及其制備方法。

背景技術

作為現代制造工業中所需要的工模具及刀具，對所加工部件的表面光潔度、精度及加工的效率等有著重要的影響及決定性因素。要想使得工模具及刀具有高的使用壽命及良好的使用效果，首先基材要有優異的高溫穩定性、抗腐蝕性及耐磨性。一般工模具及刀具的損壞不是折斷，而是表面首先出現磨損及腐蝕后開始的。因此，工模具及刀具表面的耐磨處理對其壽命及加工部件的質量有著顯著地影響。CN103212729A公開了一種具有CrAlTiN超晶格涂層的數控刀具及其制備方法。

非平衡磁控濺射離子鍍是一種設有多個可濺射的非平衡磁控濺射靶源的真空物理沉積技術，具有沉積速度快、涂層組織致密、附著力強、均勻性好等顯著特點。該技術適用于硬質涂層的制備，并在氮化鈦、氮化鈦鋁及更多元的硬質多層涂層的制備方面獲得成功應用。氮化鈮NbN、氮化鉻CrN及氮化鋯ZrN等涂層由于硬度高、摩擦系數小、耐熱性強等各自特性而具有開發應用前景。Zr、Nb和Al的氮化物(ZrNbAlN)涂層主要以氮化鋯為基礎并通過添加鋁及鈮元素來實現的。沉積有ZrNbAlN多層硬質涂層的硬質合金及高速鋼制備的工模具和刀具等具有基材高強度、高韌性及耐磨及超硬的優點，因此，高溫穩定性好、耐磨及耐腐蝕等，有效改善了工模具及刀具的使用效果及使用壽命。由于工模具及刀具表面的涂層在磨損后，可以退鍍并再次進行鍍層處理，因而大大降低了生產成本。

ZrNbAlN涂層高溫物理化學性能穩定，抗磨及抗腐蝕性能好，摩擦系數低，且涂層與襯底有較高的結合強度等。近年來，非平衡直流磁控濺射技術的進步，多元素多層材料越來越顯示出巨大的潛力，由于獲得的多層涂層材料呈交替周期結構，涂層的致密度高，晶體結構為微晶結構，顯示為非柱狀晶模式，層間的界面有效控制了擴散及應力的集中，阻止涂層中裂紋的擴展，其耐磨、韌性、摩擦系數及結構的熱穩定性都有顯著改善，應用的工模具及刀具的壽命及加工部件的質量都有顯著提高。因此，設計這種多層新型的結構涂層是適應制造業對工模具及刀具及加工部件的客觀需求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種ZrNbAlN超晶格涂層，依次包含Zr粘附層、ZrN_x過渡層、ZrN支持層和依次由ZrN層、NbN層、ZrN層及AlN層交替構成的多層結構的表面耐磨層。

本發明的超晶格涂層，所述ZrN、NbN、AlN分別為Zr、Nb、Al的氮化物,其中，ZrN層、NbN層及AlN層的晶粒粒徑均為3-5nm。

本發明的超晶格涂層，粘附層厚度為50-100nm，過渡層厚度為50-100nm，支持層厚度為300-500nm，表面耐磨層厚度為3-5μm，其中，在表面耐磨層中,ZrN層、NbN層及AlN層的厚度均為3-5nm。

本發明的超晶格涂層，其調制波長約為12-20nm。

本發明的另一目的在于提供了一種表面沉積ZrNbAlN超晶格涂層的刀具或工模具，包含刀具或工模具的基體和涂于其表面的ZrNbAlN超晶格涂層，所述ZrNbAlN超晶格涂層，依次包含Zr粘附層、ZrN_x過渡層、ZrN支持層和依次由ZrN層、NbN層、ZrN層及AlN層交替構成的多層結構的表面耐磨層，,其中，ZrN層、NbN層及AlN層的晶粒粒徑均為3-5nm。

上述本發明的刀具或工模具，粘附層厚度為50-100nm，過渡層厚度為50-100nm，支持層厚度為300-500nm，表面耐磨層厚度為3-5μm，其中，在表面耐磨層中,ZrN層、NbN層及AlN層的厚度均為3-5nm。

上述本發明的ZrNbAlN超晶格涂層及其刀具或工模具，其中所述ZrN_x過渡層，其“X”代表0至1，也就是指在過渡層噴涂過程中ZrN_x中的N濃度從0逐漸增大，直至與Zr的摩爾比為1：1，以下制備方法和實施例中的“ZrN_x”，其“X”也是代表0至1，含義等同。

上述本發明的刀具或工模具，所述的刀具或工模具的基體選自硬質合金和高速鋼，所述硬質合金選自鎢鈷硬質合金、鎢鈦鈷硬質合金和鎢鈦鉭鈮硬質合金，其中，合金晶粒度為300-500nm；所述高速鋼選自鎢系高速鋼、鎢鉬系高速鋼、高鉬系高速鋼、釩高速鋼和高鉬系高速鋼，其中，高速鋼晶粒度為300-500nm。