CN102485941A

CN102485941A - 被覆件及其制造方法

Info

Publication number: CN102485941A
Application number: CN2010105730479A
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: 2010-12-04
Filing date: 2010-12-04
Publication date: 2012-06-06

Abstract

本发明提供一种被覆件，该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氮化铝铬层和若干碳氮化铝铬层，所述若干氮化铝铬层和若干碳氮化铝铬层交替排布，所述纳米复合层最外层为氮化铝铬层或碳氮化铝铬层。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，该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氮化铝铬层和若干碳氮化铝铬层，所述若干氮化铝铬层和若干碳氮化铝铬层交替排布，所述纳米复合层最外层为氮化铝铬层或碳氮化铝铬层。

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氮化铝铬层和若干碳氮化铝铬层，所述若干氮化铝铬层和若干碳氮化铝铬层交替排布，所述纳米复合层最外层为氮化铝铬层或碳氮化铝铬层。

由于氮化铝铬与碳氮化铝铬之间弹性剪切模量的差异使上述两者之间具有不同的位错线能量，如此使跨晶界位错运动停止在氮化铝铬层与碳氮化铝铬层的界面处，该跨晶界位错的塞积可产生硬化现象及抑制膜层的变形，从而使得所述纳米复合层的硬度及韧性得到显著的提高。另外，由于所述氮化铝铬层与碳氮化铝铬层具有不同的晶格常数，在所述纳米复合层中形成了拉/压应力场，该拉/压应力场所造成的畸变能使位错运动的阻力增加，可进一步提高所述纳米复合层的硬度。所述纳米复合层硬度及韧性的提高，可显著地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氮化铝铬层或碳氮化铝铬层中的Al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

氮化铝铬层 31

碳氮化铝铬层 33

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包括若干氮化铝铬(AlCrN)层31和若干碳氮化铝铬(AlCrCN)层33，所述若干AlCrN层31和若干AlCrCN层33交替排布。所述纳米复合层30与基体10直接结合的为AlCrN层31。所述纳米复合层30的最外层为AlCrN层31或若干AlCrCN层33，优选为AlCrN层31。由于AlCrN层31具有较低的摩擦系数，当被覆件100为切削刀具时，可降低切削刀具与切屑之间的粘附性，起到减少切削热的作用，使其加工硬度较低的材料以及粘性较大的材料时更具优势。

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AlCrN层31和若干AlCrCN层33分别通过磁控溅射的方法制成。所述每一AlCrN层31中的C原子的百分含量分别随所述AlCrN层31沉积层数的增加呈梯度增加，所述每一AlCrCN层33中的C原子、N原子的百分含量也分别随所述AlCrCN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为铝铬金属层，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。

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为铝铬金属层。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200～300sccm，加热镀膜室至200～450℃(即溅射温度为200～450℃)，开启安装于所述镀膜室内的一铝靶及一铬靶的电源，分别设置该铝靶的电源功率为1～15kw、铬靶的电源功率为1～8kw，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AlCrN层31和若干AlCrCN层33交替沉积形成。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200～300sccm，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；保持所述铝靶及铬靶的电源功率、施加于基体10的偏压、溅射温度不变，沉积AlCrN层31。沉积该AlCrN层31的时间为1～10min。

(2)保持所述铝靶及铬靶的电源功率、施加于基体10的偏压、溅射温度及氩气的流量不变，通入流量为20～30sccm的纯度为99.8％的反应气体乙炔，于所述AlCrN层31上沉积一AlCrCN层33。沉积该AlCrCN层33的时间为1～10min。

(3)重复上述步骤(1)及(2)，以交替沉积AlCrN层31及AlCrCN层33。且在沉积后续的每一AlCrN层31时，将氮气的流量较沉积前一AlCrN层31时氮气的流量增大5～10sccm，在沉积后续的每一AlCrCN层33时，将氮气的流量较沉积前一AlCrCN层33时氮气及乙炔气体的流量分别增大5～10sccm，而使所述每一AlCrN层31中的C原子的百分含量分别随所述AlCrN层31沉积层数的增加呈梯度增加，所述每一AlCrCN层33中的C原子、N原子的百分含量也分别随所述AlCrCN层33沉积层数的增加呈梯度增加。沉积该纳米复合层30的时间为30～120min。

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。

在沉积所述纳米复合层30的过程中，保持该纳米复合层30的调制周期为3～15nm，以增大AlCrN层31与AlCrCN层33之间的弹性剪切模量。

由于AlCrN与AlCrCN之间弹性剪切模量的差异使上述两者之间具有不同的位错线能量，如此使跨晶界位错运动停止在AlCrN层31与AlCrCN层33的界面处，该跨晶界位错的塞积可产生硬化现象及抑制膜层的变形，从而使得所述纳米复合层30的硬度及韧性得到显著的提高。另外，由于所述AlCrN层31与AlCrCN层33具有不同的晶格常数，在所述纳米复合层30中形成了拉/压应力场，该拉/压应力场所造成的畸变能使位错运动的阻力增加，可进一步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、韧性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AlCrN层31或AlCrCN层33中的Al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，由于AlCrN层31具有高红硬性，使纳米复合层30在高温状态下使用时仍能保持较高硬度。

Claims

1.一种被覆件，该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氮化铝铬层和若干碳氮化铝铬层，所述若干氮化铝铬层和若干碳氮化铝铬层交替排布，所述纳米复合层最外层为氮化铝铬层或碳氮化铝铬层。

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：所述每一氮化铝铬层中的N原子的含量分别随所述氮化铝铬层沉积层数的增加呈梯度增加，所述每一碳氮化铝铬层中的C原子、N原子的含量分别随所述碳氮化铝铬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：所述若干氮化铝铬层及若干碳氮化铝铬层的层数分别为4～20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基体与纳米复合层之间的结合层，所述结合层为铝铬金属层。

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：

以铝靶及铬靶为靶材，以氮气为反应气体，于基体上磁控溅射形成氮化铝铬层；

以铝靶及铬靶为靶材，以氮气和乙炔气体为反应气体，于该氮化铝铬层上磁控溅射形成碳氮化铝铬层；

重复所述磁控溅射氮化铝铬层及碳氮化铝铬层的步骤，于所述基体上交替形成若干氮化铝铬层和若干碳氮化铝铬层。

8.如权利要求7所述的被覆件的制造方法，其特征在于：磁控溅射所述氮化铝铬层的工艺参数为：氮气流量为20～30sccm，以氩气为工作气体，其流量为200～300s ccm，所述铝靶及铬靶的电源功率分别为1～15kw、1～8kw，于基体上施加-100～-400V的偏压，溅射温度为200～450℃，溅射时间为1～10min；所述重复溅射形成氮化铝铬层时，将氮气和的流量较沉积前一氮化铝铬层时分别增大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：磁控溅射所述碳氮化铝铬层的工艺参数为：所述铝靶及铬靶的电源功率分别为1～15kw、1～8kw，于基体上施加-100～-400V的偏压，溅射温度为100～450℃，溅射时间为1～10min；所述重复溅射形成碳氮化铝铬层时，将氮气和乙炔气体的流量较沉积前一碳氮化铝铬层时分别增大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：磁控溅射所述氮化铝铬层之前还包括于所述基体上磁控溅射形成铝铬金属层的步骤，形成该铝铬金属层的工艺参数为：以氩气为工作气体，其流量为200～300sccm，采用铝靶及铬靶为靶材，分别设置该铝靶的电源功率为1～15kw、铬靶的电源功率为1～8kw，施加于对基体上的偏压为-100～-400V，溅射温度为200～450℃，溅射时间为5～10min。