CN102586732A - 具有硬质涂层的被覆件及其制备方法 - Google Patents

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纳米硬质涂层，该纳米硬质涂层包括多层TiAlN层和多层SiN层，所述TiAlN层和SiN层交替堆叠，该纳米硬质涂层经交替沉积所述TiAlN层和SiN层后进行氮化热处理制得。本发明还提供一种上述被覆件的制备方法。本发明的被覆件具有较高硬度、耐磨损及优良的高温抗氧化性能。

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

高切削速度、高进给速度、高可靠性、高精度和长寿命是目前刀具的发展方向，而不用或少用冷却液的干式切削技术，由于效率高，对环境污染小，正逐步成为切削技术发展的主流。但是这些技术对刀具涂层的性能提出了更高的要求，尤其是长时间的干式切削将导致刀具与被切削件接触温度迅速升至600-800℃以上，这些苛刻的条件要求涂层同时具有高硬度、低摩擦系数及优异的高温抗氧化性能。目前商业化较为成功的刀具涂层是TiAlN涂层，该涂层具有较好的高温抗氧化性能，能较大程度提高刀具表面硬度和耐磨性能。但是，普通的TiAlN涂层的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某些较高硬度材料的切削加工。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种具有具有硬质涂层的被覆件，该被覆件具有较高硬度、耐磨损及优良的高温抗氧化性能。

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，包括硬质基体及形成于该基体上的结合层，该被覆件还包括形成于该结合层上的纳米硬质涂层，该纳米硬质涂层包括多层TiAlN层和多层SiN层，所述TiAlN层和SiN层交替堆叠，该纳米硬质涂层经交替沉积所述TiAlN层和SiN层后进行氮化热处理制得。

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；

提供一磁控溅射设备，将该硬质基体放入该磁控溅射设备的转架上，在该磁控溅射设备的真空室内相对设置钛铝合金靶及硅靶；

开启钛铝合金靶，在硬质基体上溅射一结合层；

同时开启钛铝合金靶和硅靶，以氮气为反应气体，在结合层上交替溅射多层TiAlN层和多层SiN层，以形成纳米硬质涂层，该TiAlN层和该SiN层交替堆叠；

在氮气气氛下对该纳米硬质涂层进行氮化热处理。

本发明的具有硬质涂层的被覆件包括纳米硬质涂层，该交替堆叠经交替沉积多层TiAlN层和多层SiN层后进行氮化热处理制得。由于SiN层自身具有很高的硬度和耐磨性能，加之交替堆叠的TiAlN层和SiN层之间存在多晶超晶格硬化效应，使得纳米硬质涂层整体具有较高的硬度。而且，该纳米硬质涂层经过氮化热处理后，将沉积过程中没来得及反应的金属粒子进一步氮化，进一步提高了涂层的整体硬度和耐磨性能。

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磁控溅射设备示意图。

主要元件符号说明

被覆件              10

硬质基体            20

结合层              30

纳米硬质涂层        40

TiAlN层             42

SiN层               44

磁控溅射设备        1

真空室              2

真空泵            3

转架              4

钛铝合金靶        5

硅靶              6

气源通道          7

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上的纳米硬质涂层40。

该硬质基体20的材质可以为高速钢、硬质合金、陶瓷、不锈钢、镁合金及铝合金等。

该结合层30为一钛铝合金层，该结合层30中钛原子与铝原子个数比大约为1∶1。该结合层30的厚度可为0.05～0.2μm，优选为0.1μm，其用于提高纳米硬质涂层40与硬质基体20之间的结合力。

该纳米硬质涂层40包括多层TiAlN层42和多层SiN层44，所述TiAlN层42和SiN层44交替堆叠。该纳米硬质涂层40经交替沉积所述TiAlN层42和SiN层44后进行氮化热处理制得。所述TiAlN层42中钛原子与铝原子个数比大约为1∶1；而钛原子与铝原子个数之和与氮原子个数比大约为1∶0.9～1∶1。所述SiN层44中硅原子与氮原子个数比大约为1∶1～1∶1.3。每一TiAlN层42和与其相邻的SiN层44的厚度之和大约为3～15nm，较佳为10～15nm。该纳米硬质涂层40的总厚度大约为1～2.5微米。

该结合层30及该纳米硬质涂层40可通过磁控溅射(如射频磁控溅射)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。

上述的被覆件10的制备方法，主要包括如下步骤：

请参阅图1，提供所述硬质基体20，并对硬质基体20进行清洗。该步骤可将硬质基体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，以除去承镀基体表面的杂质和油污等，清洗完毕后烘干备用。

请参阅图2，提供一磁控溅射设备1，本实施例为射频磁控溅射设备。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7。该真空室2内设有转架4及相对设置的钛铝合金靶5和硅靶6，该钛铝合金靶5中铝原子百分比为50％。转架4带动硬质基体20做圆周运行，且硬质基体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气源通道7进入真空室2。

在硬质基体20上溅射该结合层30。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，对真空室2抽真空至1.0×10^-3～8.0×10^-3Pa后通入溅射气体氩气，氩气流量为150～300sccm(标准状态毫升/分钟)，硬质基体20施加偏压至-100～-300V，开启钛铝合金靶5，钛铝合金靶5的功率为300～500瓦，调节真空室2内温度为150～250，对硬质基体20溅射5～10分钟，以于硬质基体20表面形成该由钛铝合金形成的结合层30。

在结合层30上交替溅射多层TiAlN层42和多层SiN层44，以形成该纳米硬质涂层40。保持硬质基体20偏压不变，调节氩气流量为300～400sccm，同时向真空室通入氮气，氮气的流量为70～130sccm；调节钛铝合金靶5的功率为400～500瓦，同时开启硅靶6电源，硅靶6的功率为300～400瓦，设置所述转架4的转速为2～5rpm(revolution per minute，转/分钟)，进而控制硬质基体20交替途经钛铝合金靶5和硅靶6，从而在硬质基体20上交替沉积TiAlN层42和SiN层44。沉积时间约为30～120分钟。

镀膜结束后，关闭靶材电源、偏压、气流等，待真空室2温度降至接近室温时取出镀覆有结合层30及纳米硬质涂层40的硬质基体20。

接着，对该纳米硬质涂层40进行氮化热处理。将该镀覆有结合层30及纳米硬质涂层40的硬质基体20放入高温热处理炉中，在热处理炉中不断地通入氮气，将热处理炉内的空气全部排出，形成氮气气氛。对该热处理炉进行升温，升温速率为8～12℃/min，当该热处理炉升温至500～550(即热处理温度)时，保持该温度范围30-60分钟。该步骤中，氮气与纳米硬质涂层40中未反应完全的钛铝金属相继续反应生成接近标准化学计量比的难熔化合物相，使TiAlN层42中钛原子与铝原子个数之和与氮原子个数比大约为1∶0.9～1∶1，使SiN层44中硅原子与氮原子个数比大约为1∶1～1∶1.3，而未经该氮化热处理的TiAlN层42中钛原子与铝原子个数之和与氮原子个数比要大于1∶0.9，未经氮化热处理的SiN层44中硅原子与氮原子个数比要大于1∶1，即氮化热处理后使TiAlN层42及SiN层44氮的含量提高了，以提高纳米硬质涂层40整体的硬度与耐磨性能。

本发明的具有硬质涂层的被覆件10包括多层TiAlN层42和多层SiN层44交替沉积而成的纳米硬质涂层40，由于SiN层44自身具有很高的硬度和耐磨性能，加之每一TiAlN层42和SiN层44的厚度都是纳米级别，TiAlN层42和SiN层44之间存在多晶超晶格硬化效应，使得纳米硬质涂层40整体具有较高的硬度。而且，该纳米硬质涂层40经过氮化热处理后，将沉积过程中没来得及反应的金属粒子进一步氮化，生成接近标准化学计量比的难熔化合物相，使进一步提高了涂层的整体硬度和耐磨性能。

可以理解，上述被覆件10的制备方法还可包括溅射该结合层30前，在所述磁控溅射设备内对钛铝合金靶5和硅靶6进行溅射清洗，以去除靶材表面可能形成的氧化物等杂质。

实施例1

选用316不锈钢作为硬质基体，对基体进行清洗，然后在基体上溅镀结合层及纳米硬质涂层，最后对纳米硬质涂层进行氮化热处理，各步骤的具体操作如上所述。

溅镀结合层的条件为：真空室抽真空至3.0×10^-3Pa，真空室温度为150，氩气流量为300sccm，基体偏压为-150V，钛铝合金靶功率为400瓦，溅射时间为5分钟。

溅镀纳米硬质涂层的条件为：真空室温度为150，氩气流量为300sccm，氮气流量为70sccm，基体偏压为-150V，钛铝合金靶功率为400瓦，硅靶功率为300瓦，转架转速为2rpm，溅射时间为40分钟。

氮化热处理条件为：热处理炉中充氮气，热处理炉升温速率为8℃/min，热处理温度为524～526℃，热处理时间为30分钟。

实施例2

选用高速钢刀具作为硬质基体，对基体进行清洗，然后在基体上溅镀结合层及纳米硬质涂层，最后对纳米硬质涂层进行氮化热处理，各步骤的具体操作同实施例1。

溅镀结合层的条件为：真空室抽真空至3.0×10^-3Pa，真空室温度为200℃，氩气流量为300sccm，基体偏压为-200V，钛铝合金靶功率为450瓦，溅射时间为5分钟。

溅镀纳米硬质涂层的条件为：真空室温度为200℃，氩气流量为350sccm，氮气流量为100sccm，基体偏压为-200V，钛铝合金靶功率为450瓦，硅靶功率为350瓦，转架转速为4rpm，溅射时间为70分钟。

氮化热处理条件为：热处理炉中充氮气，热处理炉升温速率为10℃/min，热处理温度为530～532℃，热处理时间为40分钟。

实施例3

选用钨钢刀具作为硬质基体，对基体进行清洗，然后在基体上溅镀结合层及纳米硬质涂层，最后对纳米硬质涂层进行氮化热处理，各步骤的具体操作同实施例1。

溅镀结合层的条件为：真空室抽真空至3.0×10^-3Pa，真空室温度为240℃，氩气流量为300sccm，基体偏压为-300V，钛铝合金靶功率为450瓦，溅射时间为5分钟。

溅镀纳米硬质涂层的条件为：真空室温度为240℃，氩气流量为400sccm，氮气流量为130sccm，基体偏压为-300V，钛铝合金靶功率为500瓦，硅靶功率为400瓦，转架转速为5rpm，溅射时间为100分钟。

氮化热处理条件为：热处理炉中充氮气，热处理炉升温速率为12℃/min，热处理温度为548～550℃，热处理时间为60分钟。

对比例1-3

对比例1-3除了没有后续的氮化热处理步骤之外，其它各步骤的具体操作与条件分别与实施例1-3相同。

对实施例1-3及对比例1-3所制备的试样进行耐磨性测试及纳米硬度测试测试；对实施例1-3所得的试样还进行了高温抗氧化测试；并对实施例2和3制备的刀具试样进行了干式切削试验，各测试条件及结果如下：

(1)耐磨性测试

测试仪器为线性耐磨耗测试仪，测试条件为：载荷为1kg，行程长度为1.5英尺，磨耗速率为25次/分钟。

试结果显示，实施例1-3所制备的被覆件经磨耗200次均为见明显脱落；而对比例1-3所制备的试样经磨耗100次即有膜层轻微剥落，150次后膜层明显脱落，说明经氮化热处理的膜层的耐磨性明显高于未经氮化热处理的膜层。

(2)纳米硬度测试

测试仪器为纳米硬度计，测试条件为：温度20～25℃，空气湿度为30％～50％，加载5g大小的力。

测试结果显示，实施例1-3所制备的被覆件的纳米硬度为44～46GPa；而对比例1-3所制备的试样的表面膜层的纳米硬度为38-42GPa，说明氮化热处理使膜层的硬度有较大幅度的提高。

(3)高温抗氧化测试

测试仪器为管式热处理炉，测试条件为：升温速率为10℃/min，热处理温度为820℃，保温时间为0.5h。

测试结果显示，由本发明实施例1-3所制备的被覆件经820℃热处理0.5h后均未见膜层氧化、脱落等现象。

(4)干式切削测试

对实施例2和3所制备的刀具试样进行干式切削测试，测试条件为：刀具进给速度为1mm/min，切削速度为5400转/分钟，被切削材料为铸铁。测试结果发现，切削6分钟后开始有膜层剥落现象。

Claims (12)

1.一种具有硬质涂层的被覆件，包括硬质基体及形成于该基体上的结合层，其特征在于：该被覆件还包括形成于该结合层上的纳米硬质涂层，该纳米硬质涂层包括多层TiAlN层和多层SiN层，所述TiAlN层和SiN层交替堆叠，该纳米硬质涂层经交替沉积所述TiAlN层和SiN层后进行氮化热处理制得。

2.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于：所述TiAlN层中钛原子与铝原子个数比为1∶1；钛原子与铝原子个数之和与氮原子个数比为1∶0.9～1∶1。

3.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于：所述SiN层中硅原子与氮原子个数百分比为1∶1～1∶1.3。

4.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于：每一TiAlN层和与其相邻的SiN层的厚度之和为3～15nm，该纳米硬质涂层的总厚度为1～2.5微米。

5.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于：该结合层为一钛铝合金层。

6.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于：该硬质基体为高速钢、硬质合金、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；

提供一磁控溅射设备，将该硬质基体放入该磁控溅射设备的转架上，在该磁控溅射设备的真空室内相对设置钛铝合金靶及硅靶；

开启钛铝合金靶，在硬质基体上溅射一结合层；

同时开启钛铝合金靶和硅靶，以氮气为反应气体，在结合层上交替溅射多层TiAlN层和多层SiN层，以形成纳米硬质涂层，该TiAlN层和该SiN层交替堆叠；

在氮气气氛下对该纳米硬质涂层进行氮化热处理。

8.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于：溅射所述结合层是在如下条件下进行：真空室内真空度为1.0×10^-3～8.0×10^-3Pa，通入氩气，氩气流量为150～300sccm，硬质基体施加偏压至-100～-300V，钛铝合金靶的功率为300～500瓦，溅射时间为5～10分钟。

9.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于：溅射所述纳米硬质涂层是在如下条件下进行：硬质基体施加偏压-100～-300V，同时通入氩气和氮气，氩气流量为300～400sccm，氮气流量为70～1300sccm；钛铝合金靶的功率为400～500瓦，硅靶的功率为300～400瓦，转架的转速为2～5rpm，沉积时间为30～120分钟。

10.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于：该氮化热处理是将该形成有该结合层及该纳米硬质涂层的硬质基体放入高温热处理炉中，向热处理炉中通入氮气以形成氮气气氛，对该热处理炉以8～12℃/min的升温速率进行升温，热处理温度为500～550℃，保持该热处理温度30-60分钟。

11.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于：该结合层为一钛铝合金层。

12.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于：该硬质基体为高速钢、硬质合金、陶瓷、不锈钢、镁合金及铝合金中的一种。

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