CN101886242A - 硼化钛/氮化硅纳米多层涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种切削工具技术领域的硼化钛/氮化硅纳米多层涂层及其制备方法，纳米多层涂层由TiB₂和Si₃N₄两种材料交替沉积形成纳米量级的多层结构，在多层结构中的每一个双层结构，TiB₂层的厚度为2～8nm，Si₃N₄层厚为0.2～0.8nm。制备方法如下：首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷的基体上采用在Ar气氛中双靶射频溅射方法交替沉积TiB₂层和Si₃N₄层，制取TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层，其中TiB₂采用TiB₂靶直接溅射得到，而Si₃N₄采用直接溅射Si₃N₄化合物靶材提供。本发明所得的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层不但具有优良的高温抗氧化性，而且具有高于37GPa，最高达到45GPa的硬度。本发明作为高速切削刀具尤其是高速切削的铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。

Description

硼化钛/氮化硅纳米多层涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种切削工具技术领域的涂层及其制备方法，特别是一种TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层及其制备方法。

背景技术

由于其机械加工效率高，环境污染少，切削速度≥100m/min的高速切削及无冷却液的干式切削方式正日益成为切削技术发展的主流，这些先进的切削技术对刀具涂层的性能提出了更高的要求。不仅要求刀具涂层硬度高，还需要涂层具有低的摩擦系数，以及较高的抗氧化能力。现有的刀具涂层尚未全面满足这些要求。如目前工业上广泛应用的TiAlN涂层，虽然涂层的抗氧化温度可达800℃，但作为高速铣削刀具和螺纹刀具的涂层使用时，其摩擦系数偏高。另外，TiAlN涂层约35GPa的硬度也有进一步提高的必要。硼化钛(TiB₂)是一种具有高硬度和高稳定性的化合物，其硬度为35GPa，不但高于各种过渡金属氮化物的硬度，而且TiB₂的摩擦系数也低于多数过渡金属氮化物，更宜用于需优异减磨性能的高速铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。但是，TiB₂涂层的抗氧化温度不超过750℃，仍不能满足高速切削和干式切削对涂层提出的要求。因而目前生产上急需一种高硬度、低摩擦系数并兼具高抗氧化温度的涂层，以满足高速铣削刀具和螺纹刀具在干式切削工况下的要求。

对现有技术进行的检索发现：

为了提高刀具涂层的抗氧化性，已有的专利技术(如美国专利US6565957，US6638571，US5766782和中国专利95108982.X等)采用在TiN等涂层的表面或中间增加一层或多层0.1～8μm厚度的Al₂O₃层，使之与氮化物层形成多层结构的涂层。尽管致密的Al₂O₃层能显著提高涂层的抗氧化性，但由于Al₂O₃的硬度远低于氮化物，这种氮化物和Al₂O₃组成的多层涂层的硬度会明显降低，从而影响到刀具涂层切削功能的有效发挥。

美国专利US6333099B1也提供了一种具有优良抗氧化性能的MeN/Al₂O₃纳米多层涂层，该涂层中的过渡族金属氮化物可以是Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W、Al等元素或者它们混合物的氮化物，写作MeN。该纳米多层涂层由两种层厚分别为0.1～30nm的MeN层和Al₂O₃层交替沉积而形成成分周期变化的多层结构。涂层总厚度为0.5～20μm。这种涂层的硬度不低于其组成物MeN和Al₂O₃单层涂层的硬度。虽然该技术提出的这种MeN/Al₂O₃纳米多层涂层可以用化学气相沉积方法(CVD)和物理气相沉积方法(PVD)制备，但并未涉及具体技术措施和手段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层及其制备方法。本发明具有高硬度和高抗氧化性能，不但提高了现有TiB₂涂层的硬度，保持了TiB₂涂层的低摩擦系数，并使涂层的抗氧化性得到显著提高。本发明可作为高速铣削和螺纹刀具的表面涂层材料。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的涉及TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层是由TiB₂和Si₃N₄两种材料交替沉积形成纳米量级的多层结构，在多层结构中的每一个双层结构，Si₃N₄层的厚度为0.2～0.8nm，TiB₂层的厚度为2～8nm，纳米多层涂层的总厚度为1～4μm。

所述的Si₃N₄层为气相沉积非晶结构；

所述的TiB₂层模板效应下被强制晶化的六方晶体结构；

在所述的TiB₂及其(0001)晶体面上形成共格外延生长的超晶格柱状晶。

从而使本发明的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层能够获得40GPa以上的硬度，并同时具有高达800℃的高温抗氧化性能。

本发明还涉及TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的制备方法，包括步骤如下：

①首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理；

②然后采用双靶射频磁控溅射方法在金属或陶瓷的基体上交替沉积TiB₂层和Si₃N₄层，制取TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层；

③纳米多层涂层中的TiB₂和Si₃N₄都采用射频电源控制的阴极在Ar气中分别溅射TiB₂和Si₃N₄化合物靶材的所述的双靶射频溅射方法获得。

直至达到足够厚度(1～4μm)的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层。

所述的双靶射频溅射，是通过基体在TiB₂和Si₃N₄靶前交替停留获得具有成分调制结构的纳米多层涂层，每一层的厚度由溅射靶的功率及基体在靶前的停留时间控制。

本发明TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层获得的硬度高于37GPa，最高硬度达45GPa，明显高于其组成物。TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的高硬度在于此纳米多层涂层中的Si₃N₄层形成了晶体态，并且TiB₂层和Si₃N₄层具有共格外延生长的结构特征；TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层中的Si₃N₄层具有优异的抗氧化性，由于Si₃N₄层的加入使得TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的高温抗氧化能力得以提高达到800℃。

本发明因此具有明显的技术进步，本发明将具有高硬度的晶体态TiB₂和具有优良高温抗氧化性能的非晶态Si₃N₄陶瓷组成纳米多层涂层，通过结构优化设计，获得高硬度的优异力学性能，同时发挥了TiB₂的低摩擦系数和Si₃N₄的高温抗氧化性的特性，这种TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层在高速切削刀具，尤其是铣削刀具和螺纹刀具上具有很大的应用价值。

附图说明

图1本发明TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层结构示意图。

图中：Si₃N₄层1、TiB₂层2、基体3。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的系统进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，以下实施例的实施范围和条件如下：

第一，TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层由Si₃N₄层1和TiB₂层2交替沉积在金属或陶瓷的基体3上组成，Si₃N₄层1的厚度在多项实例中采用范围在0.3～0.8nm，TiB₂层2的厚度在多项实例中采用范围在为2～8nm，纳米多层涂层的总厚度在多项实例中采用范围控制在为1～4μm。

第二，在多项实例中所采用的制备方法，以如下条件实施：

①将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷的基体上采用双靶射频溅射方法交替沉积TiB₂层2和Si₃N₄层1，制取TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层，

②所述的双靶射频溅射，其TiB₂靶和Si₃N₄靶分别由独立的射频阴极控制。

③真空室内背底真空≤10^-3Pa后，向其中通入Ar气体，Ar的气压为0.3～1.5Pa。

④转动基片架，使基片分别于TiB₂靶和Si₃N₄靶前接受溅射材料形成纳米多层涂层；纳米多层涂层中各调制周期内TiB₂层2和Si₃N₄层1的厚度通过各靶的溅射功率和基片在各靶前停留的时间控制。

实施例1

本实施例TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的制备方法的具体工艺参数为：TiB₂和Si₃N₄靶均采用Φ75mm×5mm的圆片形靶，各靶由独立的射频阴极分别控制，真空室内背底真空≤10^-3Pa.真空室中的Ar气压强为0.3Pa，TiB₂靶溅射功率为100W，沉积时间为6秒，Si₃N₄靶溅射功率为30W，沉积时间为2秒，基体温度＜400℃。由此得到的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层中TiB₂层2的厚度为2.0nm，Si₃N₄层1厚为0.3nm，涂层的硬度为37GPa。

实施例2

本实施例TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的制备方法的具体工艺参数为：TiB₂和Si₃N₄靶均采用Φ75mm×5mm的圆片形靶，各靶由独立的射频阴极分别控制，真空室内背底真空≤10^-3Pa，真空室中的Ar气压强为0.5Pa，TiB₂靶溅射功率为100W，沉积时间为6秒，Si₃N₄靶溅射功率为50W，沉积时间为2秒，基体温度＜400℃。由此得到的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层中TiB₂层2的厚度为3.0nm，Si₃N₄层1厚为0.5nm，涂层的硬度为42GPa。

实施例3

本实施例TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的制备方法的具体工艺参数为：TiB₂和Si₃N₄靶均采用Φ75mm×5mm的圆片形靶，各靶由独立的射频阴极分别控制，真空室内背底真空≤10^-3Pa，真空室中的Ar气压强为0.7Pa，TiB₂靶溅射功率为100W，沉积时间为12秒，Si₃N₄靶溅射功率为50W，沉积时间为2秒，基体温度＜400℃。由此得到的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层中TiB₂层2的厚度为4.0nm，Si₃N₄层1厚为0.5nm，涂层的硬度为45GPa。

实施例4

本实施例TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的制备方法的具体工艺参数为：TiB₂和Si₃N₄靶均采用Φ75mm×5mm的圆片形靶，各靶由独立的射频阴极分别控制，真空室内背底真空≤10^-3Pa，真空室中的Ar气压强为1.0Pa，TiB₂靶溅射功率为150W，沉积时间为16秒，Si₃N₄靶溅射功率为50W，沉积时间为2秒，基体温度＜400℃。由此得到的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层中TiB₂层2的厚度为8.0nm，Si₃N₄层1厚为0.5nm，涂层的硬度为40GPa。

实施例5

本实施例TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的制备方法的具体工艺参数为：TiB₂和Si₃N₄靶均采用Φ75mm×5mm的圆片形靶，各靶由独立的射频阴极分别控制，真空室内背底真空≤10^-3Pa，真空室中的Ar气压强为1.5Pa，TiB₂靶溅射功率为150W，沉积时间为16秒，Si₃N₄靶溅射功率为80W，沉积时间为3秒，基体温度＜400℃。由此得到的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层中TiB₂层2的厚度为6.0nm，Si₃N₄层1厚为0.8nm，涂层的硬度为38GPa。

Claims (9)

1.一种TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层，其特征在于，由TiB₂和Si₃N₄两种材料交替沉积形成纳米量级的多层结构，在多层结构中的每一个双层结构，Si₃N₄层的厚度为0.2～0.8nm，TiB₂层的厚度为2～8nm，纳米多层涂层的总厚度为1～4μm。

2.根据权利要求1所述的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层，其特征是，所述的Si₃N₄层为气相沉积非晶结构。

3.根据权利要求1所述的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层，其特征是，所述的TiB₂层模板效应下被强制晶化的六方晶体结构。

4.根据权利要求1所述的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层，其特征是，在所述的TiB₂及其(0001)晶体面上形成共格外延生长的超晶格柱状晶。

5.一种TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：

①首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理；

②然后采用双靶射频磁控溅射方法在金属或陶瓷的基体上交替沉积TiB₂层和Si₃N₄层，制取TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层；

③纳米多层涂层中的TiB₂和Si₃N₄都采用射频电源控制的阴极在Ar气中分别溅射TiB₂和Si₃N₄化合物靶材的双靶射频溅射方法，直至TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层达到厚度1～4μm。

6.根据权利要求5所述的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的制备方法，其特征是，所述的双靶射频溅射，是通过基体在TiB₂和Si₃N₄靶前交替停留获得具有成分调制结构的纳米多层涂层，每一层的厚度由溅射靶的功率及基体在靶前的停留时间控制。

7.根据权利要求5或者6所述的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的制备方法，其特征是，所述的双靶射频溅射，真空室内背底真空≤10^-3Pa后，向其中通入Ar气体，Ar的气压为0.3～1.5Pa，基体温度＜400℃。

8.根据权利要求6所述的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的制备方法，其特征是，所述的双靶射频溅射，TiB₂靶溅射功率为100-150W，沉积时间为6-16秒。

9.根据权利要求6所述的TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层的制备方法，其特征是，所述的双靶射频溅射，Si₃N₄靶溅射功率为30-80W，沉积时间为2-3秒。

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