CN102560347A - 具有硬质涂层的被覆件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有硬质涂层的被覆件，包括硬质基体、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，该硬质涂层的组成为TiXAlYMZN，其中X、Y及Z分别表示Ti、Al及M的原子个数百分比，M为Sc或Dy，X+Y+Z＝1，35％≤X≤45％，0.01％≤Z≤1％。本发明还提供一种通过磁控溅射方法制备上述被覆件的方法。本发明具有硬质涂层的被覆件硬度高，具有较好的耐磨性能和高温抗氧化性能。

Description

具有硬质涂层的被覆件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种具有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，氮化钛(TiN)薄膜镀覆在刀具或模具表面使刀具和模具的使用寿命在一定程度上得到提高。然而，随着金属切削加工朝高切削速度、高进给速度、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，其中氮铝钛(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硬度难以超过30GPa，抗氧化温度为800℃以下，已经不能很好的满足不锈钢等难于加工材料的高速切削。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有较高硬度、耐磨损的涂层的被覆件。
另外，还有必要提供一种上述被覆件的制备方法。
一种具有硬质涂层的被覆件，包括硬质基体、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，该硬质涂层的组成为TiXAlYMZN，其中X、Y及Z分别表示Ti、Al及M的原子个数百分比，M为Sc或Dy，X+Y+Z＝1，35％≤X≤45％，0.01％≤Z≤1％。
一种具有硬质涂层的被覆件的制备方法，包括以下步骤：
提供硬质基体，并对基体进行去污清洗；
对基体进行真空镀膜处理，以于基体上镀覆结合层及硬质涂层，该结合层位于该硬质基体与该硬质涂层之间，该硬质涂层的组成为TiXAlYMZN，其中X、Y及Z分别表示Ti、Al及M的原子个数百分比，M为Sc或Dy，X+Y+Z＝1，35％≤X≤45％，0.01％≤Z≤1％。
其中所述真空镀膜处理是用组成为TiXAlYMZ的复合靶为靶材，采用磁控溅射方法形成所述结合层及该硬质涂层。
上述具有硬质涂层的被覆件上形成有一层硬质涂层，该硬质涂层为参杂有稀有元素钪(Sc)或镝(Dy)的TiAlN涂层，在切削等使用过程中，涂层表面会生成三氧化二铝薄膜，自动形成氧阻隔层，但是该三氧化二铝阻隔层上仍然存在一些孔洞，氧原子由这些孔洞进入，会使涂层进一步氧化，而钪和镝具有封堵所述阻隔层的孔洞的作用，进而具有抑制硬质涂层进一步氧化的作用。另外，微量的钪或镝与铝反应可生成钪铝或钪镝金属间化合物新相，弥散分布于涂层中，起到弥散强化作用，可大幅提高涂层的耐磨性能。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的被覆件的剖视示意图。
图2为本发明较佳实施例的被覆件的制备方法中所用镀膜设备的示意图。
主要元件符号说明
被覆件          10
硬质基体        20
结合层          30
硬质涂层        40
磁控溅射设备    1
真空室          2
真空泵          3
转架            4
靶材        5
气源通道    6
具体实施方式
请参阅图1，本发明较佳实施例具有硬质涂层的被覆件10包括硬质基体20、形成于硬质基体20上的结合层30、形成于结合层30上的硬质涂层40。
该硬质基体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。
该结合层30的组成可由表示式TiXAlYMZ表示，其中X、Y及Z分别表示Ti、Al及M的原子个数百分比，M可为Sc或Dy，X+Y+Z＝1，35％≤X≤45％，0.01％≤Z≤1％。
该结合层30的厚度大约为20～50nm。该结合层30用于提高硬质涂层40与硬质基体20之间的结合力。
该硬质涂层40的组成可由表示式TiXAlYMZN表示，其中X、Y及Z分别表示Ti、Al及M的原子个数百分比，M可为S c或Dy，X+Y+Z＝1，35％≤X≤45％，0.01％≤Z≤1％。
该硬质涂层40的厚度大约为1.5～3μm。该结合层30与该硬质涂层40均可通过磁控溅射的方法形成。
该被覆件10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。
上述具有硬质涂层的被覆件10的制备方法，主要包括如下步骤：
提供硬质基体20，并对硬质基体20进行去污清洗。该清洗步骤可将硬质基体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，以除去硬质基体20表面的杂质和油污等，清洗完毕后烘干备用。
以组成为TiXAlYMZ的复合靶为靶材，对硬质基体20进行真空镀膜处理，以于硬质基体20上镀覆该结合层30及该硬质涂层40。该结合层30位于该硬质基体20与硬质涂层40之间。
该真空镀膜处理步骤具体如下：
请参阅图2，提供一磁控溅射设备1，磁控溅射设备1包括一真空室2、用以对真空室2抽真空的真空泵3以及与真空室2相通的气源通道6。该真空室2内设有转架4、挡板(未图示)及相对设置的二靶材5，靶材5为组成为TiXAlYMZ的复合靶。转架4带动硬质基体20做圆周运行，且基材20在随转架4运行的同时也进行自转。镀膜时，溅射气体与反应气体经由该气源通道6进入真空室2。挡板用于在清洗靶材5时将硬质基体20与靶材5隔开，防止溅射出的靶材粒子溅射至硬质基体20上。
将经上述清洗的硬质基体20放置于磁控溅射设备1的转架4上，然后溅射清洗靶材5。该溅射清洗过程如下：对真空室2抽真空至2×10-3～6.0×10-3Pa，通入流量为300～500sccm(标准状态毫升/分钟)氩气作为溅射气体，用挡板将硬质基体20与靶材5隔开。开启靶材5的电源，功率为3～4kw，调节硬质基体20偏压为-200～-300伏，对靶材5溅射清洗5～20分钟。该步骤是利用氩气离子轰击靶材，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硬质基体20上，因此用挡板将硬质基体20与靶材5隔开。
在硬质基体20上溅射该结合层30。将挡板从硬质基体20与靶材5之移除，调节氩气流量为120～180sccm，调节偏压至-200～-250V，调节靶材5的功率为2.5～3kw，对硬质基体20预溅射5～10分钟，以于硬质基体20表面形成该结合层30。
在结合层30上溅射该硬质涂层40。调节氩气流量为240～300sccm，向真空室2通入流量为75～120sccm的氮气，调节靶材5功率为3～4kw，调节硬质基体20偏压为-150～-250伏，设置所述转架4的转速为0.5～3rpm(revolution per minute，转/分钟)，对硬质基体20进行溅射45～120分钟，以在该结合层30上沉积一层该硬质涂层40。
镀膜结束后，关闭负偏压及靶材5电源，停止通入氩气和氮气，待所述硬质涂层40冷却后，向真空室2内通入空气，打开真空室门，取出镀覆好的硬质基体20。
上述具有硬质涂层的被覆件10上形成有一层硬质涂层40，该硬质涂层40为参杂有稀有元素钪(Sc)或镝(Dy)的TiAlN涂层，在切削等使用过程中，涂层表面会生成三氧化二铝薄膜，自动形成氧阻隔层，但是该三氧化二铝阻隔层上仍然存在一些孔洞，氧原子由这些孔洞进入，会使涂层进一步氧化，而Sc和Dy具有封堵所述阻隔层的孔洞的作用，进而具有抑制硬质涂层40进一步氧化的作用。另外，微量的钪或镝与铝反应可生成钪铝或钪镝金属间化合物新相，弥散分布于涂层中，起到弥散强化作用，可大幅提高涂层的耐磨性能。
实施例1-3
实施例1-3的硬质基体选材分别为高速钢、硬质合金及模具钢，将硬质基体样品放入盛装有乙醇溶液的超声波清洗器中震动清洗后烘干。
以TiXAlYScZ为靶材，靶材的具体组成如表1所示，对硬质基体样品进行真空镀膜处理。该真空镀膜处理包括溅射清洗靶材、在硬质基体样品上溅射该结合层以及在结合层上溅射硬质涂层。该真空镀膜处理的操作如上所述，真空镀膜各步骤工艺条件如表1所示。
实施例4-6
实施例4-6硬质基体选材分别为高速钢、硬质合金及模具钢。与实施例1-3不同的是，实施例4-6的靶材为TiXAlYDyZ，且实施例4-6的靶材中的X、Y及Z的取值分别与实施例1-3相同。另外，实施例4-6的各步骤工艺条件分别与实施例1-3相同。
对实施例1-6所制得样品的硬质涂层的硬度及膜层氧化温度进行了测试，测试结果如表2所示。
由表2可知，上述具有硬质涂层的被覆件10的硬质涂层40具有32GPa以上的HV硬度，硬质涂层40的高温氧化温度为820℃以上，相较于普通的TiAlN涂层均有所提高。
表1
表2
Figure BDA0000040821590000071

Claims (10)

1.一种具有硬质涂层的被覆件，包括硬质基体，其特征在于：该被覆件还包括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，该硬质涂层的组成为TiXAlYMZN，其中X、Y及Z分别表示Ti、Al及M的原子个数百分比，M为Sc或Dy，X+Y+Z＝1，35％≤X≤45％，0.01％≤Z≤1％。
2.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于：该结合层的组成为TiXAlYMZ，其中X、Y及Z分别表示Ti、Al及M的原子个数百分比，M为Sc或Dy，X+Y+Z＝1，35％≤X≤45％，0.01％≤Z≤1％。
3.如权利要求2所述的被覆件，其特征在于：该结合层的厚度为20～50nm。
4.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于：该硬质涂层的厚度为1.5～3μm。
5.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于：该结合层与该硬质涂层均由磁控溅射形成。
6.如权利要求5所述的被覆件，其特征在于：该基体为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、不锈钢、镁合金及铝合金中的一种。
7.一种具有硬质涂层的被覆件的制备方法，包括以下步骤：
提供硬质基体，并对基体进行去污清洗；
对基体进行真空镀膜处理，以于基体上镀覆结合层及硬质涂层，该结合层位于该硬质基体与该硬质涂层之间，该硬质涂层的组成为TiXAlYMZN，其中X、Y及Z分别表示Ti、Al及M的原子个数百分比，M为Sc或Dy，X+Y+Z＝1，35％≤X≤45％，0.01％≤Z≤1％。
8.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于：该真空镀膜处理采用磁控溅射方法，以组成为TiXAlYMZ的复合靶为靶材。
9.如权利要求8所述的被覆件的制备方法，其特征在于：溅射所述结合层的工艺条件为：以氩气为溅射气体，基体施加偏压至-200～-250V，靶材功率为2.5～3千瓦，溅射时间为5～10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：溅射所述硬质涂层的工艺条件为：以氩气为溅射气体，以流量为75～120sccm的氮气为反应气体，靶材功率为3～4千瓦，基体施加偏压-150～-250伏，溅射时间为45～120分钟。
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