CN102230154A - 一种物理气相沉积涂层的工艺方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种物理气相沉积涂层的工艺方法，涉及金属加工技术领域。针对现有的物理气相沉积涂层工艺能耗大且处理时间长的问题。本发明的工艺方法如下：a、氮化处理：将基体材料置于反应室内的偏转源上，向真空的反应室内通入氮气和惰性气体，反应时间50～100分钟；b、沉积薄膜：关闭氮气，使反应室降温并向反应室内通入涂层材料等离子气体，并使涂层材料等离子气体轰击经步骤a氮化处理后的基体材料，反应时间50～100分钟。本发明适用于绝大多数刀具模具和部件表面的涂层处理。

Description

一种物理气相沉积涂层的工艺方法
技术领域
本发明涉及金属加工技术领域，尤其涉及一种物理气相沉积涂层的工艺方法。 
背景技术
当今的制造业已发生了革命性的转变，以数控机床为基础的现代制造技术正朝着高速、干式切削加工的方向迈进。由于刀具涂层技术可大幅度地提高切削刀具的综合性能，尤其是近年来超硬薄膜设计概念的提出，在理论上可有效地改善刀具的高温性能，使涂层刀具应用于高速、干式切削加工成为可能。
物理气相沉积（即PVD，Physical Vapor Deposition）是当前国际上广泛应用的先进的表面处理技术，可为物件、工具、工件等提供各类单一或多层涂层加工服务。其工作原理就是利用真空物理过程，例如蒸发或者溅射实现物质的转移，将原子或分子由源转移到基体表面上，并沉积成薄膜。这种工艺不含危害环境的物质和排放物，不存在毒性反应产品，对人体和生态环境无害，是一种能真正获得纳米至微米级薄膜且无污染的环保型表面处理方法。所得到的PVD涂层在不影响基体尺寸的情况下，改善表面外观，表面颜色均一；提高表面强度，在烈日、潮湿等恶劣环境中不变色、不脱落，性能稳定；而且PVD膜具有很好的导热性能，能降低摩擦系数，高度耐磨损，耐刮擦，不易划伤，降低切削震荡；而且提高表面抗氧化温度，可作为化学屏障，提高抗化学腐蚀能力；可镀材料广泛，与基体结合力强。
在切削刀具涂层技术领域，物理气相沉积涂层工艺主要是通过电弧蒸发作用或磁控溅射作用来实现涂层在刀具表面的沉积。由于涂层的抗氧化性能好，并可有效地控制精密刀具刃口形状及精度，在生产高精密加工刀具、装饰件、高要求机械零部件、高精密集成电路的模具等方面具有很广泛的用途。与化学气相沉积（即CVD，Chemical Vapor Deposition）工艺相比，PVD工艺温度低，对刀具材料的抗弯强度基本无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响。PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金钻头、铣刀、铰刀、丝锥、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理，可大大减少在未涂层产品的维修和重新购置上的费用。
但是，PVD涂层技术对基体材料有较高要求。例如，要求基体材料本身有一定的强度和硬度，即只能对硬质表面进行涂覆，提高了生产成本。对于质量较低、硬度不够的软质表层基体材料，一般先经过表面氮化处理，使基体材料表面硬度提高后再进行PVD涂层处理。通常的做法是，先将基体材料在氮化设备中处理后，再移至PVD设备中进行涂层处理，而氮化过程至少十几个小时，其工艺能耗大，处理时间长。 
发明内容
针对现有的PVD涂层工艺能耗大且处理时间长的不足，本发明的目的是提供一种物理气相沉积涂层的工艺方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：
a、对预加工基材表面进行氮化处理：将基体材料置于物理气相沉积设备反应室内的偏转源上，向所述真空反应室内通入氮气和惰性气体，反应时间50～100分钟；
b、在所述基材表面形成沉积薄膜：关闭氮气，使所述反应室降温并向所述反应室内通入涂层材料等离子气体，并使所述涂层材料等离子气体轰击经步骤a氮化处理后的基体材料，反应时间50～100分钟。
c、得到处理后的基材材料。
进一步地，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。
进一步地，所述步骤a中，反应室内真空度在4×10-2Pa以下，温度为450℃～480℃，反应时间为100分钟。
进一步地，所述步骤a中，氩气气流速度为5～10毫升/min，氮气气流速度为5～10毫升/min。
进一步地，所述步骤a中，氩气气流速度为7毫升/min，氮气气流速度为6毫升/min。
进一步地，所述步骤b中，反应室内真空度在2×10－2以下，反应室降温至220℃后再将温度控制在380℃～420℃，偏压电源为60 V～100V，反应时间为80分钟。
进一步地，所述步骤b中，氩气气流速度为8～10毫升/min，氮气气流速度为60～90毫升/min。
进一步地，所述基体材料为钢材、硬质合金或经电镀的塑料。
进一步地，所述涂层材料为氮化钛、氮化铝钛、氮化铬、氮碳化铬涂层、碳氮化钛或氮化锆。
本专利的有益效果在于：本发明的工艺将对基材的氮化与PVD处理在同一设备中完成，降低能耗，减少处理时间，提高生产效率。而且，该工艺可应用于处理软质表面的基体材料，大大降低对基体材料的要求，扩大了PVD技术的处理范围，性价比高。传统的PVD涂层加工温度在250℃～450℃之间，工艺时间为3h～6h。而本发明的处理工艺，涂层可在低于80℃或高于600℃条件下进行。因此，减少了工艺时间，提高了生产效率。较低的涂层温度，零件尺寸变形小，对工艺环境无污染，达到降低成本及节约能耗的目的。与传统PVD涂层的相比较，提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，所得到的产品具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点，且性价比高。 
具体实施方式
实施例一：物理气相沉积设备由一反应室，与反应室相连接的电磁铁磁控制装置，与反应室的腔室相通的气体供应装置构成。反应室的腔室内设有用于放置基体材料的偏转源。物理气相沉积设备采用市面上通用的沉积设备。
本发明的一种物理气相沉积涂层的工艺方法，其步骤如下：
a、对预加工基材表面进行氮化处理：将基体材料放置于物理气相沉积设备反应室内的偏转源上，保持反应室内真空，向反应室内通入氩气和氮气，反应时间50～100分钟；
b、在基材表面形成沉积薄膜：关闭氮气，使反应室降温并向反应室内通入涂层材料等离子气体，并使涂层材料等离子气体轰击经步骤a氮化处理后的基体材料，反应时间50～100分钟，在基体材料表面沉积成薄膜。
c、得到处理后的基材材料。
其中，步骤a中，氩气气流速度为7毫升/min，氮气气流速度为6毫升/min，反应室的真空度在4×10-2Pa以下，温度450℃～480℃，反应时间为100分钟。
步骤b中，反应室降温至220℃，氩气气流速度为9毫升/min，氮气气流速度为60～90毫升/min，反应室内真空度保持在2×10－2以下，然后，将温度控制在380℃～420℃，偏压电源为80V，反应时间为80分钟。制备的TIN涂层厚度为2～4μm。
本工艺基体材料可选用钢材，硬质合金和经电镀的塑料等。
涂层材料可选用氮化钛（TiN）、氮化铝钛（TiAlN）、氮化铬（CrN）、氮碳化铬涂层（CrCN）、碳氮化钛（TiCN）和氮化锆（ZrN），复合涂层包括TiALYN 或 W-C：H/DLC。涂层厚度一般为1～4μm。但在有些情况下，涂层薄至0.5μm，厚至15μm。涂层种类和厚度决定工艺时间。
本发明的惰性气体也可为氦气、氖气、氪气或氙气。
实施例二：制备CRN涂层时，步骤a中氩气流量为22毫升/min，氮气流量49毫升/min，涂层厚度为2～4μm，本实施例的其他参数和步骤与实施例一相同。
PVD适合对绝大多数刀具模具和部件进行沉积涂层，应用领域包括刀具和成型模具、耐磨部件，医疗装置和装饰产品。原有PVD涂层技术大多只能对硬质表层进行涂覆，而本发明可对预加工产品表层进行氮化处理，将软质表层硬化，从而可对软质表层物体进行PVD加工。本工艺能明显提高部分金属材料的表面性能，并能应用于各种对表面硬度、磨擦系数、工作环境温度及对化学腐蚀有一定要求的场合。
本领域技术人员应该认识到，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了使本领域技术人员能够更好的理解本专利内容，不应理解为是对本专利保护范围的限制，只要是根据本专利所揭示精神所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利保护范围。 

Claims (9)

1.一种物理气相沉积涂层的工艺方法，步骤如下：
a、对预加工基材表面进行氮化处理：将基体材料置于物理气相沉积设备反应室内的偏转源上，向所述真空反应室内通入氮气和惰性气体，反应时间50～100分钟；
b、在所述基材表面形成沉积薄膜：关闭氮气，使所述反应室降温并向所述反应室内通入涂层材料等离子气体，并使所述涂层材料等离子气体轰击经步骤a氮化处理后的基体材料，反应时间50～100分钟；
c、得到处理后的基材材料。
2. 根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于：所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。
3. 根据权利要求2所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤a中，反应室内真空度在4×10-2Pa以下，温度为450℃～480℃，反应时间为100分钟。
4. 根据权利要求3所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤a中，氩气气流速度为5～10毫升/min，氮气气流速度为5～10毫升/min。
5. 根据权利要求4所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤a中，氩气气流速度为7毫升/min，氮气气流速度为6毫升/min。
6. 根据权利要求1或2所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤b中，反应室内真空度在2×10－2以下，反应室降温至220℃后再将温度控制在380℃～420℃，偏压电源为60 V～100V，反应时间为80分钟。
7. 根据权利要求6所述的工艺方法，其特征在于：所述步骤b中，氩气气流速度为8～10毫升/min，氮气气流速度为60～90毫升/min。
8. 根据权利要求1或2所述的工艺方法，其特征在于：所述基体材料为钢材、硬质合金或经电镀的塑料。
9. 根据权利要求1或2所述的工艺方法，其特征在于：所述涂层材料为氮化钛、氮化铝钛、氮化铬、氮碳化铬涂层、碳氮化钛或氮化锆。
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