[發(fā)明專利]基于硬質(zhì)合金或陶瓷基體表面制備V-B-Al-N納米硬質(zhì)薄膜的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811366902.1
• 申請日: 2018-11-16
• 公開（公告）號: CN109280885B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 鞠洪博;許俊華;喻利花;賈沛
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: C23C14/06
• 分類號: C23C14/06;C23C14/35;C23C14/56
• 代理公司: 南京正聯(lián)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 32243
• 代理人: 王素琴

本發(fā)明公開了基于硬質(zhì)合金或陶瓷基體表面制備V?B?Al?N納米硬質(zhì)薄膜的方法，本發(fā)明的V?B?Al?N硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜由V?B?Al?N固溶體及非晶B₃N₄構(gòu)成。采用高純V靶、B靶和Al靶共焦射頻反應(yīng)濺射，沉積在高速鋼等硬質(zhì)合金或陶瓷基體上，V?B?Al?N硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的厚度為2~3μm，薄膜中薄膜Al的相對含量（Al/(V+B+Al)）為1.29～38.82%，B相對含量（B/(V+Al+B)）大致穩(wěn)定在8%。這種硬質(zhì)涂層能夠獲得24.00GPa的高硬度，兼具優(yōu)異的摩擦磨損性能，室溫干切削實驗下，其摩擦系數(shù)為0.4977；700℃干切削實驗下平均摩擦系數(shù)為0.3553。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種涂層及其制備方法，尤其涉及基于硬質(zhì)合金或陶瓷基體表面制備V-B-Al-N納米硬質(zhì)薄膜的方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，對刀具涂層提出了諸如“高速高溫”、“高精度”、“高可靠性”、“長壽命”等更高的服役要求，除了要求涂層具有普通切削刀具涂層應(yīng)有優(yōu)良的摩擦磨損性能外，更需要涂層具有的高硬度、優(yōu)異的高溫抗氧化性。對于極端服役條件下如干式加工，難加工材料如硬質(zhì)工具鋼等的機加工仍然是一個挑戰(zhàn)。與當代加工制造業(yè)所要求的理想高硬度減磨耐磨涂層相比，此類硬質(zhì)涂層的摩擦磨損性能仍有差距。目前生產(chǎn)上急需一種能夠兼具高硬度和優(yōu)良摩擦磨損性能的工具涂層。

由于在高溫干切削環(huán)境下能夠生成具有自潤滑性能的V₂O₅，VN薄膜體現(xiàn)出優(yōu)異的摩擦性能。但是，VN薄膜硬度不高、熱穩(wěn)定性不理想等缺點限制了其在刀具工業(yè)中的應(yīng)用。所以國內(nèi)外學者以VN為母體，引入B元素，以期能改良其力學性能。然而，B元素的引入雖能提升薄膜硬度，但是其熱穩(wěn)定及摩擦磨損性能不佳。有研究表明，在薄膜中引入適量的Al能夠提高薄膜的硬度和熱穩(wěn)定性能。例如，目前最常用的TiN涂層的硬度約為23GPa，500℃左右便出現(xiàn)了一定程度的氧化現(xiàn)象；TiAlN涂層硬度雖高達40GPa，其抗氧化性能在1000℃以上。Al的這種作用在CrAlN、ZrAlN等薄膜中也有所體現(xiàn)。我們有理由相信，V-B-Al-N薄膜由于形成了置換固溶體，所以，薄膜的硬度和熱穩(wěn)定性能較之V-B-N薄膜會有所改善。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述存在的問題，本發(fā)明旨在提供基于硬質(zhì)合金或陶瓷基體表面制備V-B-Al-N納米硬質(zhì)薄膜的方法，本發(fā)明克服了現(xiàn)有V-B-N系納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜力學性能不理想等缺點，具有較高生產(chǎn)效率，兼具高硬度和優(yōu)異的摩擦磨損性能，可作為高速、干式切削的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)薄膜。

本發(fā)明的技術(shù)思路：本發(fā)明的V-B-Al-N硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜由V-B-Al-N固溶體及非晶B3N4構(gòu)成。采用高純V靶、B靶和Al靶共焦射頻反應(yīng)濺射，沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體表面等硬質(zhì)合金或陶瓷基體上，V-B-Al-N硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的厚度為2~3μm，薄膜中薄膜Al的相對含量（Al/(V+B+Al)）為1.29～38.82%，B相對含量（B/(V+Al+B)）大致穩(wěn)定在8%。這種硬質(zhì)涂層能夠獲得24.00GPa的高硬度，兼具優(yōu)異的摩擦磨損性能，室溫干切削實驗下，其摩擦系數(shù)為0.4977；700℃干切削實驗下平均摩擦系數(shù)為0.3553。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

基于硬質(zhì)合金或陶瓷基體表面制備V-B-Al-N納米硬質(zhì)薄膜的方法，包括以下步驟：

步驟一：將硬質(zhì)合金或陶瓷基體表面基片表面作鏡面處理，并置于復(fù)合型高真空多靶磁控濺射設(shè)備的鍍膜艙內(nèi)，鍍膜艙內(nèi)預(yù)先設(shè)定好V靶、B靶和Al靶的位置，硬質(zhì)合金或陶瓷基體表面基片到V靶、B靶和Al靶的距離固定在11cm；

步驟二：對復(fù)合型高真空多靶磁控濺射設(shè)備的鍍膜艙進行抽真空操作，真空室本底真空度優(yōu)于6.0×10^-4Pa后向真空室中通入純度為99.999%的Ar₂和N₂起弧；