CN101033544A - 稀土离子渗氮－稀土离子镀复合涂层的连续式合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及稀土离子渗氮－稀土离子镀复合涂层的连续式合成方法，其特征在于包括如下步骤：1)制备稀土添加剂，所述稀土添加剂由稀土卤化物溶入醇液中制备而成；2)制备氮基混合气体，首先把第1)步制得的稀土添加剂形成稀土溶液的蒸发气体，再按比例充入氮气，构成氮基混合气体；3)制备稀土离子渗氮层，通过质量流量计，把上述第2)步制得的氮基混合气体通入真空室中，并按比例通入氩气，制备稀土离子渗氮层；4)沉积稀土改性硬质涂层。本发明是在镀膜机内连续完成制备的复合涂层的全过程，使渗氮与镀膜一气呵成，具有提高复合涂层的质量，提高生产效率、降低生产成本、节约能源的突出的实质性特点和显著的技术进步。

Description

稀土离子渗氮-稀土离子镀复合涂层的连续式合成方法

技术领域

本发明涉及一种稀土离子渗氮-稀土离子镀复合涂层的连续式合成方法。是一种连续合成稀土离子渗氮-稀土离子镀复合涂层的新技术。属于薄膜材料与现代表面工程的物理气相沉积(PVD)技术领域。

背景技术

为了提高氮化钛或相关体系耐磨涂层的硬度、耐磨性、热稳定性、膜/基结合强度，人们进行了许多研究。从研究方向看，大体上是两条路线：一是多元合金化强化，例如已获得广泛商业应用的多元涂层是(Ti，Al)N和TiCN等。近来，人们在涂层中引入Cr、Zr、Nb、Mo或Si、B等元素，出现了(Ti，Cr)N、(Ti，Zr)N、(Zr，Cr)N、(Ti，Nb)N、(Ti，B)CN、(Al，Si)N等一些多元涂层，在提高涂层某些特定性能上取得较好的效果。二是多层涂层，例如在70年代中期开始应用于硬质合金刀片的TiC/TiCN/TiN三层涂层，以及后来相继出现的TiN/(Ti，Al)N、TiN/NbN、MoS2/DLC/TiCN和渗氮层+TiN等复合涂层。

所述的渗氮层+TiN复合涂层具有传统多元涂层和多层涂层无可比拟的优越性能。但其制备过程是非连续式的。即先在渗氮炉渗氮(气体渗氮或离子渗氮)，然后把经过喷砂和研磨加工的渗氮件再转入等离子体镀膜机沉积TiN涂层。显然这种方法存在明显的缺点：(1)两个工序是在分立的两台设备上独立进行的，渗氮件在渗氮后出炉和转移至镀膜机过程中会受到氧化和其它污染，而影响镀膜质量。(2)受到氧化的渗氮件需要经研磨加工，无形中增加了一道工序，不但费时耗电，而且氧化层往往难以彻底清除。

发明内容

本发明需要解决的技术问题，即本发明的目的，是为了克服现有渗氮层+TiN复合涂层的合成方法中存在不能连续合成、易造成渗氮层氧化和受污染、加工时间长、耗时耗电的缺点，并且在渗氮和涂层过程中引入稀土元素，提供一种稀土离子渗氮-稀土离子镀复合涂层的连续式合成方法。

本发明的目的可以采取如下措施达到：

稀土离子渗氮-稀土离子镀复合涂层的连续式合成方法，其特征在于包括如下步骤：

1)制备稀土添加剂，所述稀土添加剂由稀土卤化物溶入醇液中制备而成，稀土卤化物的配入量为每升醇液中配入15～28g/L；或者为了使用方便，亦可以先制备出稀土浓度较高的稀土原液备用，在现场再把稀土原液用醇液稀释成稀土添加剂；

2)制备氮基混合气体，首先把第1)步制得的稀土添加剂吸入至已抽真空的气罐(可用空的氮气瓶)中，形成稀土溶液的蒸发气体，再按比例充入氮气，使氮气与稀土溶液的蒸发气体混合，构成氮基混合气体；在氮基混合气体中稀土溶液蒸发气所占的体积百分含量为10～18％；

3)制备稀土离子渗氮层，通过质量流量计，把上述第2)步制得的氮基混合气体通入真空室中，并按比例通入氩气；以这种氮基混合气体与氩气的混合气为工作气体进行离子渗氮，制备稀土离子渗氮层。

4)沉积稀土改性硬质涂层，在第3)步工作完成后，关闭氩气，仅以氮基(稀土)混合气为工作气体，在一定的工艺条件下，便可在渗氮层上制备出稀土改性的硬质复合涂层。

为了达到本发明的工艺目的，还可以采取如下措施：

本发明的一种实施方式是：在制备硬质复合涂层时，在渗氮前，先在工件或试样上沉积一薄层(10～100纳米即可)的纯钛层(利用钛的催渗作用)，再通入一定量的氮基混合气体-氩气混合气，在一定的工艺条件下进行稀土渗氮(视工模具工作刃的厚薄程度，渗氮层以15～50μm为宜)；渗氮完成后，关闭氩气，调节氮基甲醇(稀土)混合气的通入量，在一定的工作压力和镀膜工艺参数下进行涂层沉积。

本发明的一种实施方式是：前述方法中所用的稀土卤化物为含铈、钇或镧的稀土卤化物，或者为含铈、钇和镧的混合稀土卤化物。

本发明的一种实施方式是：前述方法第1)步中的醇液为甲醇、乙醇或异丙醇。

本发明的一种实施方式是：前述方法中第2)步，在确定氮基混合气中醇(稀土)溶液蒸发气体的比例时，可以在标准状态下甲醇、乙醇和异丙醇的产气量分别为1.66L/ml、1.55L/ml和1.45L/ml进行近似计算。

本发明具有以下突出效果：

1、本发明是在镀膜机内连续完成制备的复合涂层的全过程，使渗氮与镀膜一气呵成，具有提高复合涂层的质量，提高生产效率、降低生产成本、节约能源的突出的实质性特点和显著的技术进步。

2、本发明方法的整个过程能在同一真空室内同时实现渗氮和镀膜的设备中连续进行，是在渗氮层和等离子硬质涂层中添加稀土元素，既可实现稀土催渗离子渗氮，改善渗氮层组织性能，同时实现稀土对等离子体涂层的改性，使涂层结合力和高温抗氧化性、耐蚀性显著提高。

3、本发明工艺方法，是一项全面提升复合涂层物理力学性能的有效和简便的技术方法。只要将稀土配入有机溶液中，采用吸入法导入炉内即可。当稀土进入炉内后，在等离子空间中被离化，形成带正电荷的稀土离子，在负偏压作用下，稀土离子和相应的氮离子向工件表面运动并吸附在工件表面，随后通过扩散进入表层形成渗氮层；或在工件表面与待镀的金属离子和氮离子一起，发生等离子化学反应和其它物理冶金过程，直接沉积形成涂层。

附图说明

图1为利用本发明制备的稀土CrN复合涂层的金相组织示意图。

图2是稀土NL+TiN复合涂层的表面形貌示意图。

图3是稀土NL+(Ti，Ce)N复合涂层的表面形貌示意图。

其中：NL为渗氮层的简写。图中表层(白亮色薄带状)为CrN涂层(2.5μm)，次层颜色较深的部位为渗氮层(扩散层)，心部为W6Mo5Cr4V2高速钢基体。经能谱分析，证实在渗氮层和CrN涂层中均有微量稀土元素存在。

具体实施方式

以下各具体实施例的稀土离子渗氮-稀土离子镀复合涂层连续式合成的具体实施方法如下：

1)分别把含铈、钇或镧的稀土卤化物(或含上述主要元素的混合稀土卤化物)按一定比例溶入甲醇中，溶入量为15～28g/L，制备成稀土添加剂。然后利用吸入法，把稀土添加剂吸入至已抽到一定真空度(略低于常压即可)的气罐(符合压力容器技术要求)中，再充入一定量的氮气，使氮气与甲醇稀土溶液的蒸发气体混合(甲醇稀土溶液的蒸气约占总气量的10～18％)。这种含稀土的氮基甲醇混合气便可用于离子渗氮和离子镀涂层沉积中。

2)在离子渗氮和沉积涂层时，通过质量流量计，按工艺要求，把上述氮基混合气体通入真空室中。通过调节这种含稀土的氮基甲醇混合气与氩气的通入比例，便可实现稀土渗氮时稀土含量的调节；当在镀膜时，以这种氮基甲醇(稀土)混合气作为工作气体，便可制备出稀土改性的硬质涂层。通过调整稀土添加剂中稀土的溶入比例，也可达到调整渗氮层或涂层中稀土含量之目的。

3)在沉积氮化钛系复合涂层时，在渗氮前，先在工件(或试样)上沉积一薄层(薄层的厚度可以为10、20、40、60、80或100纳米)的纯钛层(利用钛的催渗作用)，再通入一定量的氮基甲醇(稀土)混合气与氩气混合，在一定的工艺条件下进行稀土渗氮(视工模具工作刃的厚薄程度，渗氮层以15～50μm为宜)；渗氮完成后，关闭氩气，调节氮基甲醇(稀土)混合气的通入量，在一定的工作压力和镀膜工艺参数下进行涂层沉积。

具体实施例1：

W6Mo5Cr4V2高速钢铣刀(10mm)和相应的试片(以下简称工件)镀稀土NL+TiN复合涂层(NL为渗氮层的简写)。

涂层设备：(俄国制)STANKIN-NBC-1型多功能电弧等离子体镀膜机，该设备带金属原子(离子)过滤装置和等离子渗氮系统。稀土原料用氯化钇，稀土添加剂的浓度为16g/L。

工件经严格的清洗后装入镀膜机中。本底真空度为0.001Pa；开加热器预热至350；通入氩气，在压力0.3Pa条件下进行Ar离子刻蚀(偏压-200V)20min；在气体压力为0.03Pa，偏压-800V和一定弧流条件下，对工件进行金属离子刻蚀6min；嗣后，在-200V偏压下镀纯钛层3min；随即启动金属原子(离子)过滤装置，通入氮基甲醇(稀土)混合气，调节N2与Ar的通入比例为1.2∶3，至炉内压力为0.3Pa，在一定的弧流和偏压下进行稀土渗氮20min，渗氮温度470～480℃；在移去过滤装置，变换电源进行镀膜时，开启弧源和偏压电源，用3个钛靶沉积50min，弧流75A，偏压-200V，沉积温度480～500。

此工艺的特点是在渗氮过程中把稀土催渗技术与镀钛催渗结合起来，明显提高了渗氮速度；在镀膜时，利用稀土在等离子化学反应中的独特效应和微合金化作用，对涂层进行改性，以全面提高涂层质量。

经检验，稀土NL+TiN复合涂层中的氮化层厚度为21μm(比不加稀土的渗氮速度提高22％)，渗氮层中无白亮层，只有渗氮扩散层；TiN涂层厚度2.2μm，显微硬度2050HV25g；用划痕法测定，膜/基结合力＞100N，按德国工程师协会VDI 3198-1992涂层结合力评级标准，达HF1级(共分6级，HF1最好)；涂层表面光滑，液滴颗粒的数量明显减少(参看图2)，最大液滴尺寸基本不超过3～4μm(未加稀土的较大的液滴达6～8μm)。稀土NL+TiN复合涂层高速钢铣刀的切削性能对比试验(主轴转速为1180r/min；切坏材料40Cr钢，调质热处理后硬度350HB)表明，稀土复合涂层铣刀的切削寿命与单一TiN涂层铣刀相比有较大的提高(稀土复合涂层铣刀的铣削总长度为8403mm，TiN涂层铣刀为4064mm，无涂层的为1039mm)，使用寿命比无稀土的单一TiN涂层铣刀超过1倍，比普通无涂层铣刀提高7~8倍；铣削时切削平稳，机床震动和磨擦噪声减小。

1)分别把含铈、钇或镧的稀土卤化物(或含上述主要组元的混合稀土卤化物)按一定比例配入甲醇中，配入量为15～28g/L，制备成稀土添加剂。然后利用吸入法，把稀土添加剂吸入至已抽到一定真空度(略低于常压即可)的气罐(符合压力容器技术要求)中，再充入一定量的氮气，使氮气与甲醇稀土溶液的蒸发气体混合(甲醇稀土溶液的蒸气约占总气量的10～18％)。这种含稀土的氮基甲醇混合气便可用于离子渗氮和离子镀涂层沉积中。

2)在离子渗氮和沉积涂层时，通过质子流量计，按工艺要求，把上述氮基混合气体通入真空室中。通过调节这种含稀土的氮基甲醇混合气与氩气的通入比例，便可实现稀土渗氮时稀土含量的调节；当在镀膜时，以这种氮基甲醇(稀土)混合气作为工作气体，便可制备出稀土改性的硬质涂层。

3)在沉积氮化钛系复合涂层时，在渗氮前，先在工件(或试样)上沉积一薄层(几十纳米即可)的纯钛层(利用钛的催渗作用)，再通入一定量的氮基甲醇(稀土)混合气与氩气混合，在一定的工艺条件下进行稀土渗氮(视工模具工作刃的厚薄程度，渗氮层以15～50μm为宜)；渗氮完成后，关闭氩气，调节氮基甲醇(稀土)混合气的通入量，在一定的工作压力和镀膜工艺参数下进行涂层沉积。

具体实施例2：

W6Mo5Cr4V2高速钢铣刀(φ10mm)和相应的试片(以下简称工件)镀稀土NL+TiN复合涂层(NL为渗氮层的简写)。

涂层设备：(俄国制)STANKIN-NBC-1型多功能电弧等离子体镀膜机，该设备带金属原子(离子)过滤装置和等离子渗氮系统。稀土原料用氯化钇，稀土添加剂的浓度为16g/L。

工件经严格的清洗后装入镀膜机中。本底真空度为0.001Pa；开加热器预热至350℃；通入氩气，在压力0.3Pa条件下进行Ar离子刻蚀(偏压-200V)20min；在气体压力为0.03Pa，偏压-800V和一定弧流条件下，对工件进行金属离子刻蚀6min；嗣后，在-200V偏压下镀纯钛层3min；随即启动金属原子(离子)过滤装置，通入氮基甲醇(稀土)混合气，调节N2与Ar的通入比例为1.2∶3，至炉内压力为0.3Pa，在一定的弧流和偏压下进行稀土渗氮20min，渗氮温度470～480℃；在移去过滤装置，变换电源进行镀膜时，开启弧源和偏压电源，用3个钛靶沉积50min，弧流75A，偏压-200V，沉积温度480～500  。

此工艺的特点是在渗氮过程中把稀土催渗技术与镀钛催渗结合起来，明显提高了渗氮速度；在镀膜时，利用稀土在等离子化学反应中的独特效应和微合金化作用，对涂层进行改性，以全面提高涂层质量。

经检验，稀土NL+TiN复合涂层中的氮化层厚度为21μm(比不加稀土的渗氮速度提高22％)，渗氮层中无白亮层，只有渗氮扩散层；TiN涂层厚度2.2μm，显微硬度2050HV25g；用划痕法测定，膜/基结合力＞100N，按德国工程师协会VDI 3198-1992涂层结合力评级标准，达HF1级(共分6级，HF1最好)；涂层表面光滑，液滴颗粒的数量明显减少(参看图2)，最大液滴尺寸基本不超过3～4μm(未加稀土的较大的液滴达6～8μm)。稀土NL+TiN复合涂层高速钢铣刀的切削性能对比试验(主轴转速为1180r/min；切坏材料40Cr钢，调质热处理后硬度350HB)表明，稀土复合涂层铣刀的切削寿命与单一TiN涂层铣刀相比有较大的提高(稀土复合涂层铣刀的铣削总长度为8403mm，TiN涂层铣刀为4064mm，无涂层的为1039mm)，使用寿命比无稀土的单一TiN涂层铣刀超过1倍，比普通无涂层铣刀提高7～8倍；铣削时切削平稳，机床震动和磨擦噪声减小。

具体实施例3：

W6Mo5Cr4V2高速钢螺丝冲头。涂层设备与上例设备相同。涂层种类为NL+(Ti，Cr，Ce)N复合涂层。稀土原料选用富铈氯化稀土，稀土添加剂的浓度为22g/L。

工艺特点是渗氮时采用二步法工艺，即开始阶段，提高氮势和稀土的加入量，第二阶段再适当降低进行扩散。通过此工艺可以强化渗氮过程，提高渗氮速度。

与具体实施例1不同之处还在于没应用镀钛催渗工艺。

该工艺中应用了2个纯钛靶和1个纯铬靶。渗氮时间为30min，前10min，N2与Ar的通入比例为1.4∶3，后20min N2与Ar的通入比例为1∶3。其它工艺参数，除弧流略有不同外，基本与例1相一致。

经检验，NL+(Ti，Cr，Ce)N复合涂层中的氮化层厚度为28μm(比不加稀土的渗氮速度提高20％)；(Ti，Cr，Ce)N涂层厚度2.3μm，显微硬度2350HV25g；用划痕法测定，膜/基结合力＞100N，按德国工程师协会VDI 3198-1992涂层结合力评级标准，达HF1级(共分6级，HF1最好)；涂层表面光滑，液滴颗粒的数量与不加稀土的相比明显减少，最大液滴尺寸也减小。经现场生产试验，该种十字螺丝冲头(冲击频率104次/分钟，螺丝材料为不锈钢)平均冲击次数8420次(单一的(Ti，Cr，Ce)N涂层冲头平均为4884次)，使用寿命提高75％。

本发明制备的复合涂层是在能在同一真空室内同时实现渗氮和镀膜的真空等离子体镀膜机内连续完成的，渗氮与镀膜一气呵成。既确保了复合涂层的质量，又提高了工效。

这种渗氮—离子镀复合涂层连续式合成，是通过在镀膜系统中设置一个金属原子(离子)的过滤装置来实现的。当过滤装置启动后，挡住了质量较大的原子和离子，而质量很小的电子得以通过。这样，通过的电子遂在过滤装置后面形成电子云作为虚拟阴极。这时如果启动离子渗氮系统，则电子在电场力的作用下发生迁徙，从而电离了两极间的氮气和氩气体分子。此时，若在基体上加负偏压，即可实现渗氮。渗氮结束后，通过程序移开过滤装置，变换电源并调整气源，按正常的镀膜作业，便可实现常规的涂层沉积。

已经知道在渗氮过程中添加稀土元素能起催渗和微合金化作用。在离子镀涂层中添加微量稀土元素，能提高涂层多项性能，特别对获得致密的涂层组织，提高涂层的抗高温氧化能力，提升膜/基结合强度十分有利，并能开发出低温沉积技术。在(Ti，Al)N，(Ti，Cr)N，(Ti，Zr)N，(Zr，Cr)N，(Ti，Mo)N，(Ti，Nb，Cr)N，(Ti，Al，Cr)N等耐磨涂层中添加稀土元素，将使这些多元涂层的物理力学性能获得进一步的提高。

此处说的复合涂层是指单层或多层氮化钛或相关体系耐磨涂层与其它渗镀层的复合。其思路是在基材与涂层之间首先制备一个过渡层或中间层(inter-layer)，再在其上面沉积单层或梯度涂层。

本发明是在渗氮层和等离子硬质涂层中添加稀土元素，既可实现稀土催渗离子渗氮，改善渗氮层组织性能，同时实现稀土对等离子体涂层的改性，使涂层结合力和高温抗氧化性、耐蚀性显著提高。本工艺方法是在能在同一真空室内同时实现渗氮和镀膜的设备中连续进行的。这是一项全面提升复合涂层物理力学性能的有效和简便的技术方法。只要将稀土配入有机溶液中，采用吸入法导入炉内即可。当稀土进入炉内后，在等离子空间中被离化，形成带正电荷的稀土离子，在负偏压作用下，稀土离子和相应的氮离子向工件表面运动并吸附在工件表面，随后通过扩散进入表层形成渗氮层；或在工件表面与待镀的金属离子和氮离子一起，发生等离子化学反应和其它物理冶金过程，直接沉积形成涂层。

从概念上讲，用于刀具上的耐磨涂层应是兼顾涂层表层性质(如硬度、耐磨性、热稳定性、附着力、弹性模量、内应力等)和基材性质(如强度、韧性等)，使其完美结合的结构材料。涂层的成分、结构和其物理力学性能的设计应符合以下原则，即一方面提高工具刃口的抗宏观、微观损坏的能力；另一方面，缓解刃口与被加工制件的接触应力，降低切削力和切削扭矩，使刀具切削时刃部的温升减小。所以较理想的刀具涂层材料，可看作是刀具和加工材料接触面的“具有中间功能”的介质，它提高了刀具接触面的抗磨损能力，同时降低了热磨损热源的强度。

参考对磨、钻、端面铣加工中刀具切削部分热量状态和接触应力分析及对涂层刀具强度理论的研究，可设计出耐热抗磨复合涂层。该复合涂层由强化层和耐磨层构成。耐热抗磨复合涂层的每一涂层单元都有特定的功能：强化层增加刀具切削楔的强度和硬度，对耐磨层起强力支撑作用；耐磨层由于引入了多元合金化，使涂层硬度、耐磨性和热稳定性得以提升，使涂层刀具更适于高速切削的工况条件。

本发明合成的复合涂层，强化层为稀土渗氮(稀土/氮共渗)层，耐磨层为稀土改性耐热抗磨离子镀膜层，物理力学性能和热稳定性高，涂层品质良好，完全符合上述工模具耐磨涂层的设计理念。

Claims (5)

1、稀土离子渗氮-稀土离子镀复合涂层的连续式合成方法，其特征在于包括如下步骤：

1)制备稀土添加剂，所述稀土添加剂由稀土卤化物溶入醇液中制备而成，稀土卤化物的配入量为每升醇液中配入15～28g/L；或者先制备出稀土浓度较高的稀土原液备用，在现场再把稀土原液用醇液稀释成稀土添加剂；

2)制备氮基混合气体，首先把第1)步制得的稀土添加剂吸入至已抽真空的气罐(可用空的氮气瓶)中，形成稀土溶液的蒸发气体，再按比例充入氮气，使氮气与稀土溶液的蒸发气体混合，构成氮基混合气体；在氮基混合气体中稀土溶液蒸发气所占的体积百分含量为10～18％。

3)制备稀土离子渗氮层，通过质量流量计，把上述第2)步制得的氮基混合气体通入真空室中，并按比例通入氩气；以这种氮基混合气体与氩气的混合气为工作气体进行离子渗氮，制备稀土离子渗氮层。

4)沉积稀土改性硬质涂层，在第3)步工作完成后，关闭氩气，仅以氮基(稀土)混合气为工作气体，在一定的工艺条件下，便可在渗氮层上制备出稀土改性的硬质复合涂层。

2、如权利要求1所述的稀土离子渗氮-稀土离子镀复合涂层的连续式合成方法，其特征在于：制备硬质复合涂层，在渗氮前，先在工件或试样件上沉积一层纯钛薄层、该纯钛薄层的厚度为10～100纳米，再通入氮基混合气体-氩气混合气，在传统的工艺条件下进行稀土渗氮、并形成稀土渗氮层，使所述锋土渗氮层的厚度为15～50μm；渗氮完成后，关闭氩气，调节稀土氮基甲醇混合气的通入量，在设定的工作压力和镀膜工艺参数下进行涂层沉积。

3、如权利要求1所述的稀土离子渗氮-稀土离子镀复合涂层的连续式合成方法，其特征在于：前述方法中所用的稀土卤化物为含铈、钇或镧的稀土卤化物，或者为含铈、钇和镧的混合稀土卤化物。

4、如权利要求1所述的稀土离子渗氮-稀土离子镀复合涂层的连续式合成方法，其特征在于：前述方法中第1)步、第2步中的醇液为甲醇、乙醇或异丙醇。

5、如权利要求1所述的稀土离子渗氮-稀土离子镀复合涂层的连续式合成方法，其特征在于：前述方法中第2)步，在确定氮基混合气中醇溶液蒸发气体的比例时，在标准状态下甲醇、乙醇和异丙醇的产气量分别为1.66L/ml、1.55L/ml和1.45L/ml进行计算。

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