CN102634753B - 硬质涂层及其制备方法 - Google Patents

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本发明涉及一种硬质涂层及其制备方法。此硬质涂层包括多层低应力层及多层高应力层，这些低应力层及高应力层交替形成于金属基体上。本发明还提供一种硬质涂层的制备方法。本发明硬质涂层及其制备方法可改善硬质涂层内的残余应力分布，在保持硬质涂层的高硬度及高耐磨性的前提下，提高其膜-基结合强度。

Description

硬质涂层及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面处理技术领域，尤其是涉及一种硬质涂层及其制备方法。
背景技术
硬质涂层作为一种重要的防护涂层，以其优异的摩擦学性能和抗腐蚀性能被广泛应用于切削刀具和齿轮等机件的表面的防护。而电弧离子镀技术在工业上是一种典型的物理气相沉积技术，凭借其高离化率、高沉积速率及操作简单等优点，被广泛应用于硬质涂层的制备工艺。
然而，现有的沉积态涂层内一般都存在平均值高达数兆帕(GPa)甚至十几GPa的残余压应力，且应力沿层深分布极其不均匀。涂层残余应力的大小及其分布情况会直接影响膜-基结合强度与涂层使用寿命，甚至在残余应力过大时还将直接导致涂层防护作用失效。
发明内容
基于此，有必要提供一种硬质涂层及其制备方法，能够改善应力分布，从而在保持硬质涂层的硬度及耐磨性能的前提下，提高其膜-基结合力。
一种硬质涂层，其附着于金属基体上，硬质涂层包括多层低应力层及多层高应力层，这些低应力层及高应力层交替形成于金属基体上。
本发明还提供一种硬质涂层的制备方法，其包括以下步骤：提供金属基体；将金属基体置于真空室；以及在真空室内通入氮气，用电弧离子镀的工艺在高低交替改变氮气偏压的条件下于金属基体上沉积多层低应力层与多层高应力层。
本发明硬质涂层及其制备方法通过低应力层及高应力层交替沉积于金属基体上，使得硬质涂层内的应力平均值下降，且应力沿层深分布更均匀，有效的改善了硬质涂层内的残余应力，在不降低硬质涂层的硬度及耐磨能力的前提下，提高了其膜-基结合性能。
附图说明
图1为本发明实施例的硬质涂层的结构示意图。
图2为本发明实施例的硬质涂层制备方法的流程示意图。
图3为图2所示方法中不同偏压的条件下硬质涂层中残余应力沿层深的分布曲线。
图4为图2所示方法中不同氮气分压的条件下硬质涂层中残余应力沿层深的分布曲线。
图5为不同偏压的条件下制备TiAlN涂层的沉积工艺，其中循环工艺涂层为图2所示方法制备。
图6为不同氮气分压的条件下制备TiAlN涂层的沉积工艺，其中循环工艺涂层为图2所示方法制备。
图7为不同氮气分压的条件下制备TiAlN涂层的力学性能，其中循环工艺涂层为图2所示方法制备。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明的硬质涂层及其制备方法作进一步详细说明。
图1为本发明实施例的硬质涂层的结构示意图。请参阅图1，硬质涂层14包括多层低应力层142及多层高应力层144，多层低应力层142及多层高应力层144交替形成于金属基体12上。具体在本实施例中，金属基体12可与低应力层142相接触，低应力层142上直接沉积有高应力层144，而高应力层144上又直接沉积有低应力层142，如此低应力层142与高应力层144之间交替层叠。而远离金属基体12的外表面可由高应力层144形成。
硬质涂层14具有交替的多层低应力层142及多层高应力层144的结构，当硬质涂层14近表面的高应力层144（高硬度层）被磨损后，其下方临近的低应力层142（低硬度的应力缓冲层）将迅速被磨损消耗，此时硬质涂层14的近表面露出另一高应力层144，其将又起到保护金属基体12免遭磨损的作用，不会因硬质涂层14近表面的高应力层144被磨损而降低涂层的硬度及保护效果，从而不仅有效地提高膜-基结合强度，而且可以使涂层整体硬度保持在较高水平。
详细来说，低应力层142或高应力层144的厚度可在0.1～1.5微米之间（但需要指出的是，在选择厚度时还应注意调整低应力层与高应力层厚度的比例，以使应力得到有效释放）；硬质涂层14的总厚度可为2～30微米。金属基体12可为1Cr18Ni9Ti不锈钢、合金钢、高速钢或硬质合金；低应力层142及/或高应力层144可由包含氮化钛或氮铝化钛的材料制备。特别地，低应力层142的微观结构相对疏松（其可通过低偏压沉积形成）或氮含量相对较低（氮化物是硬质相，硬质相少合金相多有利于应力释放，当氮气与氩气(N2+Ar)的总压不变，其可通过低氮气分压沉积实现），有利于应力释放；高应力层144的微观结构相对紧密（其可通过高偏压沉积形成）或氮含量相对较高（沉积时，总压不变，关闭氩气，只通氮气于真空室），有利于提高涂层硬度。
图2为本发明实施例的硬质涂层制备方法的流程示意图。请同时参见图1与图2，本发明实施例的硬质涂层制备方法包括以下步骤。
S1，提供金属基体12。其中，金属基体12可为1Cr18Ni9Ti不锈钢、合金钢、高速钢或硬质合金。
S2，将金属基体12表面清洗后，置于真空室。
S3，在真空室内通入氮气，用电弧离子镀的工艺在高低交替改变氮气分压（或偏压）的条件下于金属基体12上沉积多层低应力层142与多层高应力层144。
步骤S3中，在真空室内通入氮气，通过升高或降低氮气分压（或偏压），对金属基体进行电弧离子镀，即低氮气分压下（或低偏压下）沉积多层低应力层，在高氮气分压下（或高偏压下）沉积多层高应力层。其中，改变氮气分压时，氮气与氩气总压强锁定为8.0×10-1Pa，弧电流可约为60A，弧电压可为17～19V，锁定占空比为30%的脉冲偏压-200V；当改变偏压时，氮气压强锁定为8.0×10-1Pa，弧电流可约为60A，弧电压可为17～19V。形成每层低应力层的氮气分压为0.2Pa（或偏压为-100V），形成每层高应力层的高氮气压强为0.8Pa（或偏压为-300V），形成每层低应力层沉积时间可为2～30分钟，形成每层高应力层沉积时间可为2～30分钟，并且由于低应力层的沉积率较高，因此形成每层低应力层的沉积时间可小于形成每层高应力层的沉积时间。
除此之外，为进一步提升金属基体12与硬质涂层14间的结合力，在步骤S3之前还可包括：轰击金属基体12以使金属基体12表面原子活化。其中，轰击时的偏压可为-1000V，轰击的时间可为2分钟，轰击时通入的氩气压强可为0.3Pa～0.6Pa。
图3为图2所示方法中不同偏压条件下的硬质涂层中残余应力沿层深分布曲线。图4为图2所示方法中不同氮气分压的条件下硬质涂层中残余应力沿层深的分布曲线。如图3所示，对于一系列试样，采用不同的沉积工艺，包括恒定偏压-100V，-200V，-300V工艺与循环偏压工艺和梯度增加偏压工艺；或如图4所示，恒定分压为0.8Pa，0.5Pa，0.2Pa的工艺与循环分压工艺及梯度增或减分压工艺；对于厚度相近的涂层样品，采用不同工艺后，涂层中残余应力沿层深分布，发生很大改变。在相应的层深，低偏压（或低分压）制备的涂层应力最小，而高偏压（或高分压）制备的涂层应力最大。由此可见，本发明实施例通过周期性改变沉积偏压/分压可有效调节硬质涂层14残余应力分布，而采用循环偏压工艺制备的硬质涂层14，其应力沿层深分布会更加均匀。
本发明的制备方法通过周期性改变氮气分压（或沉积偏压），以有效调节涂层的残余应力分布，使制得的硬质涂层内的应力平均值下降，且应力沿层深分布更均匀，从而有效的提高了涂层与基体的结合强度，并保证了硬质涂层整体的硬度及耐磨性能，对金属基体的磨损起到更好的保护作用。
以下结合具体实施例来进一步说明本发明硬质涂层的制备方法。
实施例1
采用1Cr18Ni9Ti作为金属基体，电弧离子镀的靶材为钛铝合金(TiAl)（其原子配比为50:50）。首先，对1Cr18Ni9Ti的金属基体进行超声清洗（丙酮，酒精，蒸馏水），并将金属基体装入真空室，其中，预真空达到6.0×10-3Pa，加热至100℃；接着在真空室内通入氩(Ar)气压强约0.5Pa，在大偏压下轰击金属基体以进行表面清洗，其中偏压-1000V，轰击时间为2分钟；然后在真空室内通入氮气，关闭Ar，对金属基体进行电弧离子镀沉积。其中，锁定N2压强为8.0×101Pa，弧电流约为60A，弧电压17V，使用占空比为30%的脉冲偏压。
电弧离子镀具体工艺，参见图5。利用循环沉积工艺，循环调节偏压15周次，沉积涂层厚度可达7.57μm（普通工艺制备5μm以上的硬质涂层是困难的），其应力分布显著改善，利用划痕仪测量膜-基结合力，其临界载荷达到44.0±4.1N，利用显微硬度计测量表面硬度实测值达到1951.2±60.9Kgf/mm2，根据Josson等人提出的数学模型[B.JossonandS.Hogmark,Hardnessmeasurementsofthinfilms.ThinSolidFilms,1984.114(3):p.257-269]，去除基体影响后，其硬度值达到3387.7±92.5Kgf/mm2。
实施例2
采用1Cr18Ni9Ti作为金属基体，电弧离子镀的靶材为钛铝(TiAl)（其组分配比为50：50）。首先，对1Cr18Ni9Ti的金属基体进行超声清洗，并将金属基体装入真空室，其中，预真空达到6.0×10-3Pa，加热至100℃；接着在真空室内通入氩(Ar)气压强约0.5Pa，在大偏压下轰击金属基体以进行表面清洗，其中偏压-1000V，轰击时间为2分钟；然后在真空室内通入氮气，对金属基体进行电弧离子镀沉积。其中，N2+Ar的总压强为8.0×10-1Pa，弧电流约为60A，弧电压18V，使用占空比为30%的脉冲偏压，锁定在-200V。
电弧离子镀具体过程可为：调节N2与Ar的比例（使涂层中的氮化物含量改变，氮化物属于硬质相，其在涂层中的含量，对涂层的硬度与应力有明显影响）。具体工艺参数见图6，循环工艺涂层中，应力分布相对均匀见图4，力学性能测试结果参见图7。
综上所述，本发明实施例的硬质涂层中，低应力层可作为应力缓冲层，高应力层作为高硬度层，通过低应力层及高应力层交替沉积于金属基体上，使得硬质涂层内的应力平均值下降，且让应力沿层深分布更均匀，从而有效改善硬质涂层内的残余应力，进而有效提高硬质涂层的硬度及耐磨能力，以对金属基体的磨损起到更好的保护作用。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种硬质涂层的制备方法，所述方法包括以下步骤：
提供金属基体；
将所述金属基体置于真空室；
轰击金属基体以使金属基体表面原子活化，其中轰击的偏压为-1000V，轰击的时间为2分钟，轰击时通入的氩气压强为0.3～0.6Pa；
以及在真空室内先后通入氩气和氮气，用电弧离子镀的工艺在高低交替改变偏压的条件下于所述金属基体上沉积多层低应力层与多层高应力层；其特征在于:
在所述电弧离子镀的工艺中，氮气总压为0.8Pa，弧电流为60A，弧电压为17～19V，形成每层低应力层或每层高应力层的沉积时间为2～30分钟，并且每层低应力层的沉积时间小于每层高应力层的沉积时间；形成每层低应力层的偏压为-100V，形成每层高应力层的偏压为-300V。
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Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106191790A (zh) * 2016-07-05 2016-12-07 深圳职业技术学院 耐磨涂层的制备方法
CN106591785B (zh) * 2016-12-22 2019-03-01 中国南方航空工业(集团)有限公司 真空电弧离子镀膜方法
CN108004517B (zh) * 2017-11-23 2019-11-22 中国航发北京航空材料研究院 一种纤维增强金属基复合材料y2o3涂层的物理气相沉积方法
CN110079766A (zh) * 2019-05-27 2019-08-02 国宏工具系统（无锡）股份有限公司 一种高效加工高温合金纳米复合涂层工艺
CN110408893A (zh) * 2019-07-12 2019-11-05 厦门金鹭特种合金有限公司 一种pvd涂层硬质合金切削刀片及其制作方法
CN110777336A (zh) * 2019-09-20 2020-02-11 西安稀有金属材料研究院有限公司 一种基于能量调控原理制备超厚硬质薄膜的方法
CN112095079B (zh) * 2020-09-02 2022-02-11 东莞市华升真空镀膜科技有限公司 阴极磁场调制的硬质涂层刀具及其制备方法和应用
CN112708857B (zh) * 2020-12-16 2022-10-11 中国航发北京航空材料研究院 具有应变容限和耐磨性的涂层结构及其制备方法
CN113416926A (zh) * 2021-05-17 2021-09-21 湖南泰嘉新材料科技股份有限公司 一种纳米多层结构过渡金属氮化物涂层及其制备方法和应用
CN113667943B (zh) * 2021-08-25 2023-09-19 宝鸡文理学院 钛合金表面制备Ti/TiN复合涂层的方法及复合涂层
CN114411093A (zh) * 2021-12-23 2022-04-29 广东工业大学 一种阴极电弧蒸发制备低残余应力、长切削寿命涂层的制备方法
CN116180075B (zh) * 2023-02-17 2024-02-23 西南交通大学 一种低应力强结合高温绝缘涂层的制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06136514A (ja) * 1992-10-26 1994-05-17 Kobe Steel Ltd 耐摩耗性多層型硬質皮膜構造
JP2002263941A (ja) * 2001-03-14 2002-09-17 Mmc Kobelco Tool Kk 硬質被覆層がすぐれた放熱性を発揮する表面被覆超硬合金製エンドミル
CN1680618A (zh) * 2004-11-30 2005-10-12 大连理工大学 脉冲偏压电弧离子镀钛/氮化钛纳米多层超硬薄膜的方法
CN1850402A (zh) * 2006-02-16 2006-10-25 华南理工大学 一种切削刀具材料表面的TiN双层薄膜镀层及其制备方法
CN1962926A (zh) * 2005-11-08 2007-05-16 中国科学院金属研究所 一种金属材料防护方法之二
CN1962947A (zh) * 2005-11-08 2007-05-16 中国科学院金属研究所 一种金属材料防护方法之一

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE59709451D1 (de) * 1996-09-03 2003-04-10 Unaxis Balzers Ag Verschleissschutz-beschichtetes werkstück
US6811581B2 (en) * 2000-10-31 2004-11-02 Mitsubishi Materials Kobe Tools Corporation High-speed tool steel gear cutting tool and manufacturing method therefor
CN101197280B (zh) * 2006-12-04 2010-06-16 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 金属硅化物的形成方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06136514A (ja) * 1992-10-26 1994-05-17 Kobe Steel Ltd 耐摩耗性多層型硬質皮膜構造
JP2002263941A (ja) * 2001-03-14 2002-09-17 Mmc Kobelco Tool Kk 硬質被覆層がすぐれた放熱性を発揮する表面被覆超硬合金製エンドミル
CN1680618A (zh) * 2004-11-30 2005-10-12 大连理工大学 脉冲偏压电弧离子镀钛/氮化钛纳米多层超硬薄膜的方法
CN1962926A (zh) * 2005-11-08 2007-05-16 中国科学院金属研究所 一种金属材料防护方法之二
CN1962947A (zh) * 2005-11-08 2007-05-16 中国科学院金属研究所 一种金属材料防护方法之一
CN1850402A (zh) * 2006-02-16 2006-10-25 华南理工大学 一种切削刀具材料表面的TiN双层薄膜镀层及其制备方法

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