CN102443775A - 硬质涂层、具有该涂层的被覆件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种硬质涂层，该硬质涂层包括一纳米复合层，该纳米复合层包括若干TiN层和若干SiCN层，所述TiN层和SiCN层交替排布。本发明还提供一种具有该硬质涂层的被覆件以及该被覆件的制备方法。本发明的硬质涂层硬度高，具有较好的耐磨性能和高温抗氧化性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬质涂层、具有该硬质涂层的被覆件及该被覆件的制备方法。
背景技术
镀膜工艺在工业领域有着广泛的应用，其中，TiN薄膜镀覆在刀具或模具表面能大幅提高刀具和模具的使用寿命。然而，随着金属切削加工朝高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性方面发展，对表面涂层的性能提出了更高的要求。TiN涂层在硬度、耐磨损、抗氧化烧蚀性等方面已经渐渐不能满足进一步的需求。
在TiN涂层的基础上加入Cr、Al等金属元素可以进一步提高其硬度和抗氧化性，其中TiAlN涂层的硬度和高温抗氧化能力均较TiN涂层有很大提高，成为目前最常用的刀具涂层材料。但是，普通的TiAlN涂层HV硬度为30±5GPa，抗氧化温度为800℃，已经不能很好的满足不锈钢等难于加工材料的高速切削。提高TiAlN涂层中Al的含量可以提高涂层的硬度和抗氧化性能，但是过高的Al含量会导致涂层的力学性能急剧下降。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种高温抗氧化性能好、耐磨损的硬质涂层。
另外，有必要提供一种具有上述硬质涂层的被覆件。
还有必要提供一种上述被覆件的制备方法。
一种硬质涂层，该硬质涂层包括一纳米复合层，该纳米复合层包括若干TiN层和若干SiCN层，所述TiN层和SiCN层交替排布。
一种被覆件，包括一硬质基体、形成于该基体上的结合层及形成于该结合层上的硬质涂层，该硬质涂层包括一纳米复合层，该纳米复合层包括若干TiN层和若干SiCN层，所述TiN层和SiCN层交替排布。
一种具有硬质涂层的被覆盖件的制备方法，包括以下步骤：
将承镀基体放入一多靶磁控溅射设备的转架上，在该多靶磁控溅射设备内安装钛靶和硅靶；
在该多靶磁控溅射设备内溅射清洗钛靶和硅靶，使钛靶和硅靶表层原子溅射出来，以除去杂质；
在基体上溅射一结合层；
在该结合层上溅射一TiN层；
在该TiN层上反应式溅射一SiCN层；
重复上述溅射TiN层和溅射SiCN层的步骤，以在基体上沉积由若干TiN层和若干SiCN层交替形成的纳米复合层。
相较于现有技术，本发明的硬质涂层由多层TiN层和SiCN层交替形成，具有多晶超晶格结构，存在超硬效应，耐磨性能好，而且在约800℃下使用不易氧化，具有较好的高温抗氧化性能。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的硬质涂层的剖视示意图。
图2为本发明较佳实施例的被覆件的剖视图。
主要元件符号说明
硬质涂层 10
纳米复合层 12
TiN层 122
SiCN层 124
基体 20
结合层 30
被覆件 40
具体实施方式
请参阅图1，本发明较佳实施例的硬质涂层10包括一纳米复合层12，该纳米复合层12包括若干TiN层122和若干SiCN层124。所述TiN层122和SiCN层124交替排布。
所述TiN层122和SiCN层124可通过磁控溅射的方法形成。该TiN层122的层数可为200～250层，该SiCN层124的层数可为200～250层。每一TiN层122和与其相邻的SiCN层124的厚度之和大约为5～15纳米。该硬质涂层10的总厚度大约为2～5微米。
请参阅图2，具有上述硬质涂层10的被覆件40包括该硬质基体20、形成于该基体20的一结合层30及形成于该结合层30上的硬质涂层10。该硬质涂层10具有如上所述结构。该基体20的材质可以为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、不锈钢、镁合金及铝合金等。该被覆件40可以为各类切削刀具、精密量具、模具、电子产品外壳及各种建筑装饰件等。
该结合层30为一钛金属层，其厚度为0.05～0.2μm，优选为0.1μm。该结合层30通过磁控溅射法沉积形成。该结合层30用于提高硬质涂层10与基体20之间的结合力。
具有上述硬质涂层10的被覆件40的制备方法，主要包括如下步骤：
对承镀基体20进行清洗。该步骤可将基体20放入盛装有乙醇及/或丙酮溶液的超声波清洗器中进行震动清洗，以除去承镀基体表面的杂质和油污等，清洗完毕后烘干备用。
将经上述清洗的基体20放入一多靶磁控溅射设备的转架上，在该多靶磁控溅射设备内同时安装纯钛靶和纯硅靶。
溅射清洗钛靶和硅靶。该溅射清洗的具体操作及工艺参数为：对该多靶磁控溅射设备的真空室抽真空至2×10-3～8.0×10-3pa，通入氩气为离子源气体，用挡板将基体与靶材隔开，防止基体被溅镀。开启钛靶和硅靶电源，电流分别为60A和45A，调节偏压为-100～-200伏，溅射清洗钛靶和硅靶5～20分钟。该步骤是利用离子源轰击靶材，使钛靶和硅靶表层原子溅射出来，以除去靶材表层可能存在的氧化物等杂质。清洗靶材的同时应避免溅射出来的靶材原子沉积到基体20上，因此用挡板将基体20与靶材隔开。
在基体20上溅射该结合层30。调节氩气流量为100～300sccm(标准状态毫升/分钟)，调节偏压至-150～-500V；开启钛靶，电流为60～70A，对基体20预溅射3～5分钟，以形成该钛金属结合层30。
在结合层30上溅射一TiN层122。保持氩气流量不变，向真空室通入流量为20～100sccm的氮气，调节基体20偏压为-150～-500伏，开启钛靶电源，电流为40～70安培，设置所述转架的转速为1～3rpm(revolution per minute，转/分钟)，对基体20进行溅射2～3分钟，以在基体20上沉积一TiN层122。
在所述TiN层122上反应式溅射一SiCN层124。关闭所述钛靶电流，开启硅靶电源，电流为35～60安培，保持基体20偏压为-150～-500伏，调节氩气流量稍大于溅射TiN层122时的氮气流量，但氮气流量范围控制在50～150sccm之内，同时向真空室通入流量为50～150sccm的乙炔(C2H2)气体，保持转架的转速为1～3rpm，在TiN层122上反应式溅射一SiCN层124。溅射时间为2～3分钟。
重复上述溅射TiN层122和溅射SiCN层124的步骤200～250次，以在基体20上沉积由TiN层122和SiCN层124交替形成的纳米复合层12，由此在基体20上形成所述硬质涂层10。该硬质涂层10具有如上所述特征。
本发明的硬质涂层10包括由TiN层122和SiCN层124交替排布而形成的纳米复合层12，每一TiN层122和SiCN层124的厚度都是纳米级别(即几个至几十个原子厚度)。由于TiN和SiCN的晶格参数等不相同，因此在TiN和SiCN界面上，存在着原子的错配，而原子错配是位错滑移的巨大障碍，会导致纳米复合层12硬化，即产生超晶格硬化效应；此外，由于TiN层122和SiCN层124的厚度均很薄，因此其内部的位错仅需要滑移数个原子就可以达到界面上，被晶格错配阻挡并固定在界面处，从而导致位错难以再次滑动，使得纳米复合层12的硬度大大增加，从而大大提升涂层的整体硬度。经测试，经上述方法制备的硬质涂层10的显微硬度可达50GPa以上，耐磨性能好；同时该硬质涂层10在约800℃下使用不易氧化，具有较好的高温抗氧化性能。
可以理解，上述被覆件40的制备方法还可包括溅射结合层30前，在所述多靶磁控溅射设备内对基体20进行离子清洗。
Claims (12)
1.一种硬质涂层，该硬质涂层包括一纳米复合层，其特征在于：该纳米复合层包括若干TiN层和若干SiCN层，所述TiN层和SiCN层交替排布。
2.如权利要求1所述的硬质涂层，其特征在于：所述每一TiN层和与其相邻SiCN层的厚度之和为5～15纳米。
3.如权利要求2所述的硬质涂层，其特征在于：该硬质涂层包括200～250层TiN层和200～250层SiCN层，该硬质涂层的总厚度为2～5微米。
4.一种被覆件，包括一硬质基体、形成于该基体上的结合层及形成于该结合层上的硬质涂层，该硬质涂层包括一纳米复合层，其特征在于：该纳米复合层包括若干TiN层和若干SiCN层，所述TiN层和SiCN层交替排布。
5.如权利要求4所述的被覆件，其特征在于：所述每一TiN层和与其相邻SiCN层的厚度之和为5～15纳米。
6.如权利要求5所述的被覆件，其特征在于：该硬质涂层包括200～250层TiN层和200～250层SiCN层，该硬质涂层的总厚度为2～5微米。
7.如权利要求4所述的被覆件，其特征在于：该结合层为一钛金属层。
8.一种具有硬质涂层的被覆盖件的制备方法，包括以下步骤：
将承镀基体放入一多靶磁控溅射设备的转架上，在该多靶磁控溅射设备内安装钛靶和硅靶；
在该多靶磁控溅射设备内溅射清洗钛靶和硅靶，使钛靶和硅靶表层原子溅射出来，以除去杂质；
在基体上溅射一结合层；
在该结合层上溅射一TiN层；
在该TiN层上反应式溅射一SiCN层；
重复上述溅射TiN层和溅射SiCN层的步骤，以在基体上沉积由若干TiN层和若干SiCN层交替形成的纳米复合层。
9.如权利要求8所述的被覆盖件的制备方法，其特征在于：所述溅射清洗钛靶和硅靶的步骤在如下条件下进行：该多靶磁控溅射设备的真空室的真空度为2×10-3～8.0×10-3Pa，通入氩气为离子源气体，用挡板将基体与钛靶和硅靶隔开，开启钛靶和硅靶电源，电流分别为60A和45A，调节偏压为-100～-200伏，清洗时间为5～20分钟。
10.如权利要求8所述的被覆盖件的制备方法，其特征在于：所述溅射TiN层的步骤是在如下条件下进行：向该多靶磁控溅射设备的真空室通入流量为20～100sccm氮气，基体偏压为-150～-500伏，开启钛靶电源，电流为40～70安培，转架转速为1～3rpm，溅射时间为2～3分钟。
11.如权利要求10所述的被覆盖件的制备方法，其特征在于：所述溅射SiCN层的步骤是在如下条件下进行：关闭所述钛靶电流，开启硅靶电源，电流为35～60安培，氮气流量为50～150sccm，基体偏压为-150～-500伏，同时向真空室通入流量为50～150sccm的乙炔气体，转架转速为1～3rpm，溅射时间为2～3分钟。
12.如权利要求8所述的被覆盖件的制备方法，其特征在于：该结合层为一钛金属层。
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