CN102453877A

CN102453877A - 被覆件及其制造方法

Info

Publication number: CN102453877A
Application number: CN2010105144843A
Authority: CN
Inventors: 张新倍; 陈文荣; 蒋焕梧; 陈正士; 胡智杰
Original assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2012-05-16

Abstract

本发明提供一种被覆件，包括基体及形成于基体表面的纳米复合层，该纳米复合层包括若干TiCN层和若干MCN层，所述TiCN层和MCN层交替排布于基体上，所述纳米复合层最外层为MCN层，所述MCN层中M为Al或Si。所述被覆件具有良好的硬度、耐磨性及高温抗氧化性的被覆件。本发明还提供了所述被覆件的制造方法。

Description

被覆件及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种被覆件及其制造方法。

背景技术

PVD镀膜工艺在工业领域有着广泛的应用，其中，TiN、TiAlN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。传统的TiN、TiAlN涂层在硬度、耐磨性及高温抗氧化性等方面已经不能满足要求。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种具有良好的硬度、耐磨性及高温抗氧化性的被覆件。

另外，还有必要提供一种制造所述被覆件的方法。

一种被覆件，包括基体及形成于基体表面的纳米复合层，该纳米复合层包括若干TiCN层和若干MCN层，所述TiCN层和MCN层交替排布于基体上，所述纳米复合层最外层为MCN层；所述MCN层中的M为Al或Si。

一种被覆件的制造方法，包括以下步骤：

提供基体；

于基体上磁控溅射形成纳米复合层，该纳米复合层包括若干TiCN层和若干MCN层，所述TiCN层和MCN层交替排布于基体上，所述纳米复合层最外层为MCN层，所述MCN层中的M为Al或Si。

由于碳氮化物TiCN与MCN之间弹性剪切模量的差异，交替沉积的每一TiCN层与每一MCN层之间的位错运动在二膜层的界面处而停止，位错的塞积可产生硬化现象及抑制膜层的变形，从而可提高所述纳米复合层的硬度。所述纳米复合层的硬度提高，可提高所述被覆件的耐磨性。

在高温状态下，所述纳米复合层的最外层的MCN层中的Al原子或Si原子将扩散至该纳米复合层的表层，与氧气反应形成一致密的含有Al₂O₃或SiO₂的保护膜，可阻止纳米复合层中的元素向外扩散及外界的氧气向纳米复合层内的扩散，如此可大大提高所述被覆件的高温抗氧化能力。

附图说明

图1为本发明一较佳实施例的被覆件的剖视图。

主要元件符号说明

被覆件 100

基体 10

结合层 20

纳米复合层 30

TiCN层 31

MCN层 33

Al₂O₃层 40

具体实施方式

请参阅图1，本发明一较佳实施例的被覆件100包括基体10及形成于基体10表面的一纳米复合层30。该基体10的材质可以为硬质合金、陶瓷、不锈钢或高速钢等。该被覆件100可以为各类切削刀具、精密量具、模具、3C电子产品外壳及各种建筑装饰件等。

该纳米复合层30包括若干碳氮化钛(TiCN)层31和若干MCN层33，所述TiCN层31和MCN层33交替排布于基体10上。该纳米复合层30的最外层为MCN层33。所述纳米复合层30与基体10直接结合的为TiCN层31。所述MCN层33中的M为铝(Al)或硅(Si)。

所述纳米复合层30的总厚度为0.5～2.0μm。所述纳米复合层30的调制周期为3～15nm。所述若干TiCN层31和若干MCN层33分别通过磁控溅射的方法制成。所述每一TiCN层31中的C原子、N原子的百分含量分别随所述TiCN层31沉积层数的增加呈梯度增加，所述每一MCN层33中的C原子、N原子的百分含量也分别随所述MCN层33沉积层数的增加呈梯度增加，即所述纳米复合层30中的C原子、N原子的百分含量由靠近基体10至远离基体10的方向呈梯度增加。

所述被覆件100还包括形成于所述基体10与纳米复合层30之间的结合层20。所述结合层20为Ti层，其通过磁控溅射镀膜法形成。所述结合层20的厚度为0.5～2.0μm。

所述被覆件100还包括形成于所述纳米复合层30上的氧化铝(Al₂O₃)层40。所述Al₂O₃层40用以提高所述被覆件100的高温抗氧化性。所述Al₂O₃层40的厚度为30～100nm。

本发明一较佳实施例的被覆件100的制造方法主要包括如下步骤：

提供基体10，所述基体10的材质可以为硬质合金、陶瓷、不锈钢及高速钢中的任一种。将基体10放入盛装有无水乙醇及/或丙酮溶液的超声波清洗器中进行震动清洗，以除去基体10表面的杂质和油污。清洗完毕后烘干备用。

对经上述处理后的基体10的表面进行氩气等离子体清洗，以进一步去除基体10表面的油污，以及改善基体10表面与后续涂层的结合力。该等离子体清洗的具体操作及工艺参数为：将基体10固定于中频磁控溅射镀膜机(图未示)的镀膜室的转架上，设置所述转架的公转速度为0.5～3.0rpm(revolution per minute，转/分钟)，抽真空所述镀膜室至真空度为3.0×10^-3Pa，以100～500sccm(标准状态毫升/分钟)的流量向镀膜室内通入纯度为99.999％的氩气，并施加-500～-800V的偏压于基体10，对基体10表面进行等离子体清洗，清洗时间为3～10min。

在对基体10进行等离子体清洗后，在所述镀膜机中采用磁控溅射镀膜法于基体10表面沉积所述结合层20。所述结合层20为Ti层。形成所述结合层20的具体操作及工艺参数如下：

以氩气为工作气体，调节氩气的流量为100～300sccm，加热镀膜室至100～450℃(即溅射温度为100～450℃)，开启安装于所述镀膜室内的一钛靶的电源，设置该钛靶的电源功率为1～10kw，对基体10施加-100～-400V的偏压，沉积所述结合层20。沉积该结合层20的时间为5～10min。

于所述结合层20上沉积所述纳米复合层30。所述纳米复合层30由若干TiCN层31和若干MCN层33交替沉积形成。所述MCN层33中的M为铝(Al)或硅(Si)。形成所述纳米复合层30的具体操作及工艺参数如下：

(1)以氩气为工作气体，调节氩气流量至100～300sccm，再向镀膜室中通入流量为20～30sccm的纯度为99.99％的反应气体氮气及流量为20～40sccm的纯度为99.8％的反应气体乙炔；设置所述钛靶的电源功率为2～12kw，对基体10施加-100～-400V的偏压，保持所述溅射温度不变，沉积TiCN层31。沉积该TiCN层31的时间为5～10min。

(2)关闭所述钛靶的电源，选择Al靶或Si靶为靶材，设置该靶材的电源功率为3～12kw，保持施加于基体10的偏压不变、溅射温度、氩气及乙炔气体的流量不变，于所述TiCN层31上沉积一MCN层33。沉积该MCN层33的时间为5～10min。

(3)重复上述步骤(1)及(2)，以交替沉积TiCN层31及MCN层33。且在沉积后续的每一TiCN层31及每一MCN层33时，将氮气和乙炔气体的流量分别较沉积前一TiCN层31及前一MCN层33时氮气和乙炔气体的流量分别增大5～10sccm，而使该每一递进的TiCN层31及MCN层33中C原子、N原子的含量分别呈梯度增加。沉积该纳米复合层30的时间为60～120min。

关闭负偏压及靶材的电源，停止通入氩气、氮气乙炔气体，待所述纳米复合层30冷却后，向镀膜内通入空气，打开镀膜室门，取出镀覆有结合层20及纳米复合层30的基体10。

由于碳氮化物TiCN与MCN之间弹性剪切模量的差异，使交替沉积的每一TiCN层31与每一MCN层33之间的位错运动在二膜层的界面处而停止，该位错的塞积可产生硬化现象及抑制膜层的变形，从而可一定程度上提高所述纳米复合层30的硬度。更重要的是，由于所述纳米复合层30的调制周期为3～15nm，在该纳米复合层30的沉积过程中，MCN层33以TiCN层31为模板在TiCN层31表面进行外延生长，进而与TiCN层31形成共格界面，如此可进一步显著提高所述纳米复合层30的硬度。

所述纳米复合层30中C原子、N原子的百分含量呈梯度变化，与结合层20的结合处C原子、N原子的百分含量较低，使其具有与结合层20、基体10较相近的热膨胀系数，因此界面处内应力小，使得纳米复合层30与结合层20之间的结合力增强；所述纳米复合层30表层的C原子、N原子的百分含量较高，因此纳米复合层30表层的硬度较高。所述纳米复合层30硬度的提高及纳米复合层30与结合层20之间结合力的增强，可显著地提高所述被覆件100的耐磨性。

在高温状态下，所述纳米复合层30的最外层的MCN层33中的Al原子或Si原子将扩散至该纳米复合层30的表层，与氧气反应形成一致密的含有Al₂O₃或SiO₂的保护膜，可阻止纳米复合层30中的元素向外扩散及外界的氧气向纳米复合层30内的扩散，如此可大大提高所述被覆件100的高温抗氧化能力。

此外，所述若干TiCN层31与若干MCN层33交替沉积，还可抑制纳米复合层30中柱状晶及穿透性针孔的形成，提高了所述被覆件100表面的致密性，从而提高了被覆件100的耐腐蚀性。

可以理解的，所述被覆件100的制造方法还包括于所述纳米复合层30上沉积Al₂O₃层40的步骤，其具体操作及工艺参数如下：停止通入氮气及乙炔气体，关闭除Al靶以外的其他靶材，保持Al靶的电源功率不变，向镀膜室中通入流量为200～400sccm的反应气体氧气，保持施加于基体10的偏压不变及溅射温度不变，沉积Al₂O₃层40。沉积所述Al₂O₃层40的时间为3～10min。

在高温状态下，所述Al₂O₃层40中的Al原子将扩散至该Al₂O₃层40的表层，与氧气反应形成Al₂O₃而增强所述Al₂O₃层40的致密性，如此可进一步提高所述被覆件100的高温抗氧化能力及耐腐蚀性能。

Claims

1.一种被覆件，包括基体及形成于基体表面的纳米复合层，其特征在于：该纳米复合层包括若干TiCN层和若干MCN层，TiCN层和MCN层交替排布于基体上，所述纳米复合层最外层为MCN层；所述MCN层中的M为Al或Si。

2.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于：所述纳米复合层的总厚度为0.5～2.0μm，该纳米复合层的调制周期为3～15nm。

3.如权利要求1或2所述的被覆件，其特征在于：所述每一TiCN层中的C原子、N原子的含量分别随所述TiCN层沉积层数的增加呈梯度增加，所述每一MCN层中的C原子、N原子的含量分别随所述MCN层沉积层数的增加呈梯度增加。

4.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于：所述被覆件还包括形成于所述基体与纳米复合层之间的结合层，所述结合层为Ti层。

5.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于：所述被覆件还包括形成于所述纳米复合层上的氧化铝层。

6.一种被覆件的制造方法，包括以下步骤：

提供基体；

7.如权利要求6所述的被覆件的制造方法，其特征在于：磁控溅射该纳米复合层包括如下步骤：

以钛靶为靶材，以氮气和乙炔气体为反应气体，于基体上磁控溅射形成TiCN层；

选择Al靶或Si靶为靶材，以氮气和乙炔气体为反应气体，于该TiCN层上磁控溅射形成MCN层；

重复所述磁控溅射TiCN层及MCN层的步骤，于所述基体上交替形成若干TiCN层和若干MCN层。

8.如权利要求7所述的被覆件的制造方法，其特征在于：磁控溅射所述TiCN层的工艺参数为：氮气流量为20～30sccm，乙炔气体的流量为20～40sccm，以氩气为工作气体，其流量为100～300sccm，所述钛靶的电源功率为2～12kw，于基体上施加-100～-400V的偏压，溅射温度为100～450℃，溅射时间为5～10min；所述重复溅射形成TiCN层时，将氮气和乙炔气体的流量较沉积前一TiCN层时分别增大5～10sccm。

9.如权利要求7所述的被覆件的制造方法，其特征在于：磁控溅射所述MCN层的工艺参数为：所述Al靶或Si靶的电源功率为3～12kw，于基体上施加-100～-400V的偏压，溅射温度为100～450℃，溅射时间为5～10min；所述重复溅射形成MCN层时，将氮气和乙炔气体的流量较沉积前一MCN层时分别增大5～10sccm。

10.如权利要求6所述的被覆件的制造方法，其特征在于：所述被覆件的制造方法还包括于所述纳米复合层上磁控溅射形成Al₂O₃层的步骤，其工艺参数为：以Al靶为靶材，设置其电源功率为3～12kw，以氧气为反应气体，氧气流量为200～400sccm，于基体上施加-100～-400V的偏压，溅射温度为100～450，溅射时间为3～10min。