CN100584994C

CN100584994C - 采用多弧离子镀制备(TiAlZr)N超硬涂层的方法

Info

Publication number: CN100584994C
Application number: CN200610155849A
Authority: CN
Inventors: 张钧; 张利鹏; 郭强; 李丽; 王春莉; 董世柱
Original assignee: Shenyang University
Current assignee: Shenyang University
Priority date: 2006-12-30
Filing date: 2006-12-30
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2026-12-30
Also published as: CN101210309A

Abstract

一种采用多弧离子镀技术制备(TiAlZr)N超硬涂层的方法，它依次包括：1、沉积技术的确定；2、靶材成分的确定；3、合金靶的制备；4、工件(基片)的选择与前处理；5、过渡层的获得；6、电弧源数量的确定；7、对工件进行加热；8、沉积工艺的确定；9、对镀膜工件进行烘烤；10、工件旋转等。本发明可形成一个TiAlZr合金靶并确定了TiAlZr合金靶中Ti、Al、Zr三个元素的成分变化范围，使制备的(TiAlZr)N超硬涂层具有附着力强(≥180N)、硬度高(≥HV3000)等特点。

Description

采用多弧离子镀制备(TiAlZr)N超硬涂层的方法

技术领域：

本发明涉及一种多组元超硬反应涂层的制备方法，特别是多弧离子镀多组元合金超硬反应涂层的制备方法，比如(TiAlZr)N超硬反应涂层的制备方法。

背景技术：

多弧离子镀是一种设有多个可同时蒸发的阴极弧蒸发源的真空物理沉积技术，该技术适用于超硬涂层的制备，并在TiN，(Ti，Al)N超硬涂层的制备方面获得成功的应用。(Ti，Al)N，(Ti，Zr)N，(Ti，Cr)N等超硬复合涂层由于硬度高、摩擦系数小、耐热性强等各自特性而比TiN涂层更具有开发应用前景。研究和开发多元超硬反应涂层以期更进一步改善涂层的综合使用性能已成为该领域的热点。目前，采用多弧离子镀技术制备(TiAlZr)N多组元超硬反应涂层的主要困难在于以下三个方面：

其一，单一金属靶的组合控制或合金靶材的成分。利用多弧离子镀制备多元膜层，采用的一种简单方法是同时使用几种不同元素的纯单质靶。在实际沉积过程中，可以采用将几种不同元素的纯单质靶平行放置、上下放置及交替放置等方式。采用单元素靶多靶共用方法，一般通过分别调整各个靶的弧电流来控制各元素的蒸发速率，以达到控制涂层成分的目的。在制备(Ti，Al，Zr)N、(Ti，Al，Cr)N(Ti，Zr，Cr)N硬质膜时，通常使用纯的单元素靶(比如，纯Ti，纯Al，纯Cr，纯Zr靶)进行镀膜组合及控制。但是，无论如何控制起弧电流，无论采用哪一种工件放置方式，实际上，都难以保证真正的成分均匀分布。对于多个(3个及以上)组元的沉积，控制起来会更加困难，同时有些元素也难以加工成靶材。此外，由于多个弧源同时工作，容易导致工件(基片)升温过快，引起涂层内应力增大，附着力迅速下降。对于TiAlZr多元靶材合金而言，由于元素之间可以形成连续固溶体或金属间化合物，因此对各元素的相对含量尚未有明确限定，而不同的成分配比往往导致超硬反应涂层的沉积工艺、附着力、硬度、耐磨性等的差别，严重影响(TiAlZr)N多组元超硬反应涂层的性能，特别是影响涂层的硬度和附着力，有时硬度甚至可以低至HV1300-HV1600，而附着力低至30N以下。这些因素严重阻碍了(TiAlZr)N作为超硬多元涂层在刀具、机械加工等行业的应用。

其二，涂层与工件的附着力。超硬反应涂层与高速钢基体的附着力较差是一个普遍的问题，尽管在高速钢基体上采用多弧离子镀技术制备的多组元超硬反应涂层，附着力一般能够达到30-70N，仍难以满足作为刀具耐磨涂层的需要。

其三，涂层的硬度。作为超硬反应涂层，硬度无疑是一项重要指标。通常采用单元素靶多靶共用方法获得的(Ti，Al，Zr)N涂层硬度可以在HV1600-2600之间，不仅硬度指标偏低，同时波动范围较大，难以保证稳定性和可重复性。

发明内容：

本发明是提供一种采用多弧离子镀技术制备(TiAlZr)N超硬涂层的方法。该方法可形成一个TiAlZr合金靶并确定了TiAlZr合金靶中Ti、Al、Zr三个元素的成分变化范围，使制备的(TiAlZr)N超硬涂层具有附着力强(≥180N)、硬度高(≥HV3000)等特点。

本发明的技术方案是：本发明提供的采用多弧离子镀制备(TiAlZr)N超硬涂层的方法依次包括：

1、确定沉积技术：确定多弧离子镀作为(TiAlZr)N超硬涂层的制备技术。

2、靶材成分设计：采用Ti，Al，Zr三组元合金作为阴极靶材。合金成分中Al重量百分比为10～20％、Zr重量百分比为10～30％，并且Al和Zr的重量百分比之和在30％～40％之间，其余为Ti，Ti的重量百分比为60～70％。

3、合金靶的制备：采用纯度为99.99％的海绵钛、采用纯度为99.99％的铝、以及纯度为99.99％的钛锆中间合金进行三次真空熔炼，得到合金锭，然后按照多弧离子镀设备所要求的靶材尺寸加工成阴极靶。

4、工件的选择与前处理：先使用金属洗涤剂对工件进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，然后用乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干，再将工件放入镀膜室进行镀膜。

5、过渡层的获得：在沉积之前进行10分钟离子轰击，获得一个具有过渡成分的薄层，过渡层厚度约为0.2～0.3微米。

6、确定电弧源数量：镀膜时使用两个不同方位且成90度配置的弧源同时起弧。

7、对工件进行加热。

8、沉积工艺的确定：当镀膜室背底真空达到8×10^-3P、温度达到240～300℃时冲入反应气体N₂，镀膜室真空度达到1.8×10^-1～2.5×10^-1P，开启弧源，进行离子轰击清洗10分钟，轰击偏压从400V逐渐降低到250V，然后进行(TiAlZr)N超硬涂层沉积，镀膜工艺参数为偏压为150V、氮气压力为1.8×10^-1～2.5×10^-1P、弧电流保持在50A～60A、沉积时间40～60分钟。

9、对镀膜工件进行烘烤。

10、进行工件旋转：在工件加热、离子轰击、膜层沉积、膜层加热的整个过程中一直保持工件旋转，转速为4～6转/分钟。

本发明使用TiAlZr合金靶并确定了合金成分的可调范围，这不仅避免了采用单元素靶多靶共用方法分别控制纯Ti靶、纯Al靶，纯Zr靶所带来的工艺困难，保证了涂层的可重复性，同时明确了合金靶中各元素的添加量的范围。经测试本发明所制备的(TiAlZr)N超硬涂层附着力强(≥180N)，这与通常使用纯的单元素靶(比如，纯Ti，纯Al，纯Zr靶)制备的(TiAlZr)N涂层(附着力在30-70N之间)相比，附着力有极大的改善，更加有利于提高(TiAlZr)N超硬涂层的耐磨寿命，更适合于在刀具行业的应用。经测试本发明所制备的(TiAlZr)N超硬涂层硬度高(≥HV3000)，这不仅超过了通常采用单元素靶多靶共用方法获得的(Ti，Al，Zr)N涂层的硬度(HV1600-2600)，同时具有良好的稳定性和可重复性。

具体实施方式：

实施例1

在W18Cr4V高速钢上制备(TiAlZr)N超硬涂层。其制备方法是：

2、靶材成分设计：采用Ti，Al，Zr三组元合金作为阴极靶材。合金成分中Al重量百分比为10％、Zr重量百分比为30％、Ti的重量百分比为60％。

4、工件的选择与前处理：选用W18Cr4V高速钢材料做成厚度为5mm、直径为30mm的圆片作为工件，先使用金属洗涤剂对工件进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，然后分别用乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干，再将工件放入镀膜室进行镀膜。

5、过渡层的获得：在沉积之前进行10分钟离子轰击，获得一个具有过渡成分的薄层，过渡层厚度约为0.2～0.3微米，这对于提高膜层与工件的结合强度十分重要。

7、对工件进行加热，加热时，升温速度4℃/分钟，约一小时后可以达到240℃。

8、沉积工艺的确定：当镀膜室背底真空达到8×10^-3P、温度达到240～300℃时冲入反应气体N₂，镀膜室真空度达到2.0×10^-1P，开启弧源，进行离子轰击清洗10分钟，轰击偏压从400V逐渐降低到250V，然后进行(TiAlZr)N超硬涂层沉积。镀膜工艺参数为偏压为150V、氮气压力为2.0×10^-1P、弧电流保持在55～58A、沉积时间40分钟。

9、对膜层工件进行烘烤。沉积过程结束后，采用小电流、微加热，对所沉积的(TiAlZr)N超硬涂层进行烘烤15分钟，使真空室缓慢降温，约2小时后取出镀膜样品。对膜层工件进行烘烤目的在于延缓真空室内的降温速度。

10、进行工件旋转：在工件加热、离子轰击、膜层沉积、膜层加热的整个过程中一直保持工件旋转，转速为4转/分钟。

对镀膜工件进行测试，其膜层厚度为3.6微米，附着强度为195N，硬度为HV3300。

实施例2

在W18Cr4V高速钢上制备(TiAlZr)N超硬涂层。其制备方法是：

2、靶材成分设计：采用Ti，Al，Zr三组元合金作为阴极靶材。合金成分中Al重量百分比为20％、Zr重量百分比为10％、Ti的重量百分比为70％。

5、过渡层的获得：在沉积之前进行的10分钟离子轰击，所获得的一个具有过渡成分的薄层，过渡层厚度约为0.2～0.3微米，这对于提高膜层与工件的结合强度十分重要。

8、沉积工艺的确定：当镀膜室背底真空达到8×10^-3P、温度达到240℃时冲入反应气体N₂，镀膜室真空度达到2.0×10^-1P，开启弧源，进行离子轰击清洗10分钟，轰击偏压从400V逐渐降低到250V，然后进行(TiAlZr)N超硬涂层沉积。镀膜工艺参数为偏压为150V、氮气压力为2.0×10^-1P、弧电流保持在55～58A、沉积时间50分钟。

9、对膜层工件进行烘烤。沉积过程结束后，采用小电流、微加热，对所沉积的(TiAlZr)N超硬涂层进行烘烤15分钟，使真空室缓慢降温，约2小时后取出镀膜样品。

对所获得的镀膜工件进行测试，其膜层厚度为3.8微米，附着强度为200N，硬度为HV3500。

Claims

1、一种采用多弧离子镀技术制备(TiAlZr)N超硬涂层的方法，其特征是：本发明的方法依次包括：

(1)、确定沉积技术：确定多弧离子镀作为(TiAlZr)N超硬涂层的制备技术；

(2)、靶材成分设计：采用Ti，Al，Zr三组元合金作为阴极靶材，合金成分中Al重量百分比为10～20％、Zr重量百分比为10～30％，并且Al和Zr的重量百分比之和在30％～40％之间，其余为Ti，Ti的重量百分比为60～70％；

(3)、合金靶的制备：采用纯度为99.99％的海绵钛、采用纯度为99.99％的铝、以及纯度为99.99％的钛锆中间合金进行三次真空熔炼，得到合金锭，然后按照多弧离子镀设备所要求的靶材尺寸加工成阴极靶；

(4)、工件的选择与前处理：先使用金属洗涤剂对工件进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，然后用乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干，再将工件放入镀膜室进行镀膜；

(5)、过渡层的获得：在沉积之前进行10分钟离子轰击，获得一个具有过渡成分的薄层，过渡层厚度约为0.2～0.3微米；

(6)、确定电弧源数量：镀膜时使用两个不同方位且成90度配置的弧源同时起弧；

(7)、对工件进行加热；

(8)、沉积工艺的确定：当镀膜室背底真空达到8×10^-3Pa、温度达到240～300℃时冲入反应气体N₂，镀膜室真空度达到1.8×10^-1～2.5×10^-1Pa，开启弧源，进行离子轰击清洗10分钟，轰击偏压从400V逐渐降低到250V，然后进行(TiAlZr)N超硬涂层沉积，镀膜工艺参数为偏压为150V、氮气压力为1.8×10^-1～2.5×10^-1Pa、弧电流保持在50A～60A、沉积时间40～60分钟；

(9)、对镀膜工件进行烘烤；

(10)、进行工件旋转：在工件加热、离子轰击、膜层沉积、膜层加热的整个过程中一直保持工件旋转，转速为4～6转/分钟。