CN102766846B - AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层及其制备方法 - Google Patents
AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102766846B CN102766846B CN201210248641.XA CN201210248641A CN102766846B CN 102766846 B CN102766846 B CN 102766846B CN 201210248641 A CN201210248641 A CN 201210248641A CN 102766846 B CN102766846 B CN 102766846B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coating
- workpiece
- preparation
- negative electrode
- gradient
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
本发明公开AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层及其制备方法，该涂层制备在硬质合金或钢铁基体上，涂层结构由三个部分组成，第一部分为CrN或TiN膜层，作为结合层和过渡层；第二部分为Cr1-xAlxN梯度膜层，其中梯度膜层从内到外结构式中的铝含量X由0.1线性过渡到0.7；第三部分涂层外层为含钇的Cr30(Al，Y)70N膜层；其制备方法包括工件表面预处理、预加热、表面清洗刻蚀、过渡层制备、梯度膜层层制备和Cr30(Al，Y)70N膜层制备。本发明通过涂层结构设计、采用空心阴极和离子镀复合制备技术，获得了力学性能和高温抗氧化性能优异的Cr－Al－N系涂层。
Description
技术领域
本发明属于机械加工用工、模具领域表面工程技术，具体是一种高结合力、高硬度和抗高温氧化的二元氮化物/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层及其制备方法，其中二元氮化物为CrN或TiN。
背景技术
铝、铬、钛等过渡金属氮化物、碳化物、碳氮化物陶瓷涂层具有高硬度和抗氧化哪里，已被广泛应用于机械加工的工模具领域。同无涂层的工模具比较，上述涂层可以提高加工精度、加工效率，且大幅度延长工模具的使用寿命。
离子镀（AIP）、磁控溅射（MS）、电弧放电蒸发和离子束辅助沉积（IBAD）等或上述方法的复合应用是公知的工模具表面涂层物理气相沉积（PVD）制备技术。每种方法均有其优点和缺点。就溅射粒子的离化率而言，离子镀最高，磁控溅射较低；就溅射粒子团族尺寸而言，离子镀最大，因此涂层表面大尺寸溶滴的出现是离子镀不可避免的现象。需要根据涂层的性能和应用要求来合理地选择涂层PVD制备方法。通过涂层成分、结构与组织的控制获得高性能的涂层。在工模具领域，最基本的涂层性能要求是膜基结合力高、耐磨耐蚀、高温性能优异。
CrN系涂层中部分Al替代Cr可以提高涂层的硬度与红硬性。随着铝含量的增加，Cr-Al-N系涂层的硬度增加，高铝含量的Cr1-xAlxN薄膜（约x=0.7）具有最优的硬度和抗氧化性能，硬度高达38GPa，热稳定性能达1100℃，红硬性达25GPa（A.E.Reiter,et al.Surface&Coatings Technology,2005,200:2114–2122）；涂层的导热系数和热扩散系数均增加(B.Tlili,et.al.Vacuum，2010，84：1067–1074)。面心立方(fcc)结构的CrAlN薄膜具有硬度高，韧性好等优异的力学性能；而密排六方(hcp)结构的CrAlN薄膜则相反，力学性能较差。因此，希望避免生成AlN相，而获得以fcc-CrN结构为主的CrAlN薄膜（Y.Sun,et.al.Journal of Materials Science,2004,39:7369-7371），适量Y的加入有利于进一步 提高涂层的抗高温氧化能力(F.Rovere,et.al.Surface&Coatings Technology,2008,202:5870–5875)。
薄膜的构型设计严重影响涂层的性能。除了单一结构构型、复合多层构型外，成分梯度构型的涂层受到越来越多的关注。由于尽可能避免了界面处成分突变导致的热膨胀系数、弹性模量等不连续，梯度涂层的构型可以提高膜基结合强度。
为了实现梯度涂层，目前公知的成分梯度控制方法主要有1）靶材功率密度（电流）控制及2）反应气体流量控制。发明专利CN101319302B公开了制备一种TiAlCN非金属元素线性变化梯度涂层的制作方法：采用离子镀技术和TiAl合金靶，控制工作气体N2/C2H2的比例来实现涂层中非金属元素的线性变化和涂层的多层化。发明专利申请ZL200610045989.3公开了一种成分呈梯级变化的CrN/CrAlN防护涂层：采用单一磁控溅射技术、分离的铬靶和铝靶；涂层内层为CrN，而外层为Al含量呈梯级变化的Cr-Al-N层（控制不同阶段金属靶的功率密度比），化学式为Cr1-xAlxN，其中Al含量x值变化范围0-0.82，四级变化，在靠近涂层表面铝含量达到最大值。专利CN102400099A公开了一种CrAlSiN梯度涂层的制备工艺：采用单一磁控溅射方法，控制分离的铬把、硅靶和铝靶的功率密度。
上述有关Cr-Al-N梯度涂层专利技术存在以下几个方面问题：1）采用单一磁控溅射技术，溅射粒子的离化率低，影响了涂层的膜基结合力；2）梯级变化仍然存在多层成分突变界面；3）涂层顶层部分成分需要进一步优化，提高涂层的高温性能，以便满足苛刻的加工条件。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，采用空心阴极和离子镀的复合集成技术，提供一种在硬质合金或钢铁基体上利用物理气相沉积技术制备的具有高硬度、高结合力、高抗氧化性、低摩擦系数的二元氮化物/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N梯度涂层。
本发明的另一目的在于提供上述硬质梯度涂层的制备方法。
本发明采用空心阴极和离子镀复合技术制备涂层；采用空心阴极技术制备过渡层；采用离子镀技术制备Cr1-xAlxN梯度膜层和Cr30(Al,Y)70N膜层。
本发明的目的通过如下技术方案实现：
一种AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层，其特征在于：该涂层制备在硬质合金或钢铁基体上，涂层结构由三个部分组成，第一部分为CrN或TiN膜层，作为结合层和过渡层；第二部分为Cr1-xAlxN梯度膜层，其中梯度膜层从内到外结构式中的铝含量X由0.1 线性过渡到0.7；第三部分涂层外层为含钇的Cr30(Al,Y)70N膜层；所述AN为CrN或TiN。
TiN或CrN过渡层的厚度为0.3－0.6微米；Cr1-xAlxN梯度膜层的厚度1.5-3.4微米；Cr30(Al,Y)70N膜层的厚度为0.3－1.0微米；整个涂层厚度2.1-5μm。
所述的AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：
（1）工件表面预处理：将工件置于碱性金属清洗液进行表面除油；再在室温下将工件置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机中超声处理；然后将清洗后的工件放入纯乙醇溶液脱水处理后干燥；所述工件为硬质合金或钢铁基体工件；
（2）预加热：将经过预处理的工件装入真空镀膜炉中，抽真空达到5x10-3Pa后，通入Ar气，维持真空度为0.1-0.4Pa，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；HCD电子枪起弧后，控制HCD电子枪电流在110-180A；HCD源的直流等离子体电弧直接照射工件表面，直到真空室内达到100℃-200℃；
（3）表面清洗刻蚀：通入Ar维持镀膜炉真空室压力为0.1-0.4Pa，调整HCD枪电流为120-180A；对工件施加300-800V脉冲偏压；启动1－3个阴极多弧铬靶，溅射出来的铬离子在电场作用下轰击工件表面；在高能电子和金属离子共同作用下清洗和刻蚀表面，清洗刻蚀工件30-60分钟后关闭所有阴极多弧铬靶，镀膜炉真空室室内温度不超过300℃；
（4）二元氮化物过渡层AN制备：保持步骤（2）中Ar气通入量，调节N2气通入量使镀膜炉真空室压力增加0.1-0.5Pa；聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚，HCD电子枪电流为120-160A；蒸发坩锅中纯钛或纯铬6-10分钟后关闭HCD电子枪，关闭Ar气源；调节N2流量，保持真空室压力为0.5-1.5Pa，启动2个阴极多弧铬靶，铬靶电流为60-80A，对工件施加150-250V脉冲偏压，5－10分钟后关闭所有阴极多弧铬靶；
（5）Cr1-xAlxN梯度膜层制备：仅通入N2，保持真空室内压力为0.1-0.5Pa；调整工件偏压为50-100V，启动2个阴极多弧铬靶，保持两靶靶电流相同，每个阴极多弧铬靶的靶电流ICr在40－100A范围内变化；同时启动2个阴极多弧铝靶，保持两靶电流相同，阴极多弧铝靶的靶电流IAl在40－100A范围内变化；该步骤镀制时间为30-50分钟，起始到结束IAl/ICr电流比由0.4线性变化到3.0，使膜层中金属原子数量比[Al]/{[Al]+[Cr]}在10％－70％范围内呈线性变化；Cr1-xAlxN梯度膜层制备结束时真空室温度低于400℃；
（6）Cr30(Al,Y)70N膜层制备：启动加热辅助装置控制真空室温度在300－350℃；通入N2，调节真空室内压力为0.3Pa；脉冲偏压为80V，启动2个CrAlY合金阴极多弧靶，靶电流控制在60－80A，时间为10－20分钟。
进一步地，所述超声清洗机中超声处理的超声频率优选为20－40KHz；强度优选为10－100W/升。
所述步骤（5）镀制时间优选为40-50分钟。
所述步骤（3）优选启动2个阴极多弧铬靶。
对于步骤（4），因为该步骤仅启动了HCD电子枪，它对工件的加热极为有限，根据试验记录，通常这个步骤会使炉内温度降低5－20℃，或者基本保持第三步骤技术时的温度，因此不需要另外再实施辅助加热措施，无需特别强调温度控制。
对于步骤（5），理想状态下期望基体温度在整个镀膜过程中保持在250－400℃，利于原子在表面的扩散结合、成膜。因为超过500℃，对于铁基工模具来说，将使得基体退火软化，所以要避免温度太高，但温度太低，不利于成膜，成膜将呈纳米级疏松纤维组织，即难以形成连续的致密涂层。炉内刻蚀清洗，过渡镀层制备过程的温度控制已如前所言（后者在刻蚀基础上基本可以保持不变）。开动多弧靶数量多，靶电流大，则炉内温度（近似为基体表面温度）升高速度快，可以根据靶电流大小调整及炉内辅助加热控制涂层制备时的炉内温度，控制Cr1-xAlxN梯度膜层制备结束时真空室温度低于400℃即可。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）所述制备过程中HCD电子枪等离子体源用于加热工件、清洗刻蚀工件表面、作为Ti或Cr蒸发能源制备二元氮化物过渡层。该过渡层的制备方法充分地发挥了HCD技术的优势，即蒸发粒子离化率高于传统磁控溅射，有助于提高过渡层同基底的结合；同时又避免了离子镀技术不可避免的大尺寸熔滴，保证了膜基界面处涂层的致密和连续。后续采用离子镀，既保证了较高的沉积速率，同时高离化率的溅射粒子在偏压作用下对这一过渡层形成了夯实作用。
（2）涂层与基体结合的过渡层TiN采用蒸发反应与溅射反应结合，避免了结合处界面上较大尺寸熔滴颗粒的出现，通过后续高偏压溅射，进一步强化了该层同基体的结合强度。
（3）通过阴极多弧铝靶的靶电流IAl/阴极多弧铬靶的靶电流ICr电流比的控制，实现了Cr1-xAlxN梯度膜层中铝含量X随着的线性变化，避免了涂层阶梯变化而导致的亚界面，增强了涂层的成分、力学参量和热学参量的匹配性。
（4）涂层最外层为含Y的四元涂层，有助于提高涂层的热学性能和高温抗氧化性。
附图说明
图1本发明梯度涂层结构设计示意图。其中a)为本发明梯度涂层，b)为用于比较的 Cr30Al70N单层结构涂层。
图2实施例1梯度涂层TiN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N的X射线衍射谱。
图3实施例1涂层900℃的恒温氧化动力学曲线，图中比较涂层为Cr30Al70N单层结构涂层。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护范围的限制。
本发明在配备空心阴极（HCD）等离子体源及阴极多弧等离子体源的真空镀膜设施中进行。镀膜设备具有可公自转的工件机构，辐射加热辅助装置，公、自转速度可分别独立控制。真空室内布置适量的阴极铬靶阴、极铝靶和阴极CrAlY合金靶(按照成分原子百分比，Cr30%,Al68.5%,Y1.5%)，HCD坩埚内装入小尺寸钛块或铬块。本发明采用空心阴极技术制备过渡层；采用离子镀技术制备Cr1-xAlxN梯度膜层和Cr30(Al,Y)70N膜层。
实施例1高速钢（SKH51）铣刀及试片表面涂层处理
铣刀材料牌号为SKH51，表面处理时随炉放入具有同样热处理制度的10x10x20(mm)的矩形样品（淬火＋回火处理后洛氏硬度为HRC65），并将样品的一面经研磨、抛光处理，以便涂制TiN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N梯度涂层后测试相关性能。
（1）工件及样品表面预处理：将待处理工件、样品置于碱性金属清洗液煮沸120分钟表面除油（铣刀表面油污迹严重）；室温下将工件、样品置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机（频率40kHz，强度为100W/升）中超声15分钟；将清洗后的工件、样品放入纯乙醇溶液脱水处理后置于120℃的烘箱中干燥30分钟。
（2）预加热：将经过预处理的工件、样品装入真空镀膜炉中，抽真空达到5x10-3Pa后，通入Ar气，维持真空度为0.4Pa，启动HCD电子枪。HCD电子枪产生直流电弧后，控制HCD电子枪电流为180A；HCD电子枪的直流电弧直接照射样品。15分钟后真空室内温度114℃。
（3）表面清洗刻蚀：通入Ar维持镀膜炉真空室压力为0.1Pa，调整HCD枪电流为130A；对工件施加500-V脉冲偏压；启动2个阴极多弧铬靶，溅射出来的铬离子在电场作用下轰击工件表面；在高能电子和金属离子共同作用下清洗和刻蚀表面，清洗刻蚀工件30分钟后关闭所有阴极多弧铬靶，镀膜炉真空室室内温度209℃；
（4）二元氮化物过渡层制备：保持步骤（2）中Ar气通入量，调节N2气通入量使镀膜 炉真空室压力为0.6Pa；聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚，HCD电子枪电流为120A；蒸发坩锅中纯钛6分钟后关闭HCD电子枪，关闭Ar气源；调节N2流量，保持真空室压力为0.5Pa，启动2个阴极多弧铬靶，阴极多弧铬靶的靶电流为60A，对工件施加200V脉冲偏压，5分钟后关闭所有阴极多弧铬；
（5）Cr1-xAlxN梯度膜层制备：仅通入N2，保持真空室内压力为0.3Pa；调整工件偏压为80V，同时启动2个阴极多弧铬靶(靶电流相同，同为ICr)和2个阴极多弧铝靶（靶电流相同，同为IAl）；在50分钟时间内每个阴极多弧铝靶的靶电流IAl由40A线性增加到120A，每个阴极多弧铬靶的靶电流ICr由100A线性减小到40A；涂层结束时真空室温度335℃；
（6）Cr30(Al,Y)70N膜层制备：启动加热辅助装置控制真空室温度在300－350℃；仅通入N2，调节真空室内压力为0.3Pa；脉冲偏压为80V，启动2个CrAlY合金阴极多弧靶，靶电流控制在80A，涂制时间10分钟。
所得涂层外观呈灰色，球磨痕迹测试涂层的总厚度为3.4μm；图1（a）是本实施例的结构示意图，其中TiN过渡层的厚度为0.33微米；Cr1-xAlxN梯度膜层的厚度2.41微米；Cr30(Al,Y)70N膜层的厚度为0.7微米。图2所示为本实施例涂层的X射线衍射分析图谱，表明该涂层为立方型CrN结构。图中虚线位置为纯CrN的峰值位置，由于Al元素的固溶，本例涂层衍射峰的位置略微右移，这一现象是公知的事实。采用MFT-4000表面性能测试仪及HV-1000显微硬度测试仪，测得室温下制备态TiN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N梯度涂层的硬度和结合力分别达到75N和3240HV0.1。作为比较，采用单一离子镀方法在SKH51基片上制作了图1（b）所示结构的3.5微米厚Cr0.30Al0.70N单层结构涂层。图3所示为上述两种涂层900℃的恒温氧化0－20小时内的实验结果，在相同氧化时间内，本发明获得的梯度涂层的氧化增重明显低于Cr0.30Al0.70N单层结构涂层，其氧化速率常数（即氧化增重-（氧化时间）1/2曲线的斜率）也低于Cr0.30Al0.70N单层结构涂层，表明本发明获得的梯度结构涂层抗氧化能力优于传统Cr0.30Al0.70N单层结构涂层。表1是本发明梯度涂层及Cr0.30Al0.70N单层结构涂层不同温度短时氧化2小时后的力学性能测试结果。结果表明不仅在涂层制备态（室温）本发明获得梯度涂层的硬度和膜基结合力比Cr0.30Al0.70N单层结构涂层有加大幅度提高，而且短时高温氧化后，其硬度即结合力也优于后者。正如涂层结构示意图所示，本发明涂层中总体Al含量低于Cr0.30Al0.70N单层结构涂层，但无论是力学性能，还是抗高温氧化性均得到提高，表明这些优势来源于本发明的涂层结构设计及制备方法：无溶滴的过渡层保证了涂层同基体界面的连续性和完整性，有利于提高膜基结合力，阻止基体元素的向外扩散；梯度涂层中Al含量由内往外形成增加的梯度，在高温下Al的浓度梯度使得 Al本身有向内扩散的趋势，这有助于阻止氧元素向涂层内部的扩散；表层含Y层的存在有助于改善高Al含量AlCrN涂层的高温稳定性，因此本发明涂层达到了较佳的抗高温氧化性能和力学性能的结合。
表1不同结构CrAlN涂层短时氧化2小时后的力学性能结果
实施例2硬质合金钢轨加工刀片的表面处理
一种CrN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N梯度涂层的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：
（1）对硬质合金钢轨加工刀表面预处理：将刀片置于碱性金属清洗液煮沸40分钟表面除油；室温下将刀片置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机（频率20kHz，强度为10W/升）中超声处理10分钟；将清洗后的刀片放入纯乙醇溶液脱水处理后置于120℃的烘箱中干燥60分钟。
（2）硬质合金钢轨加工刀片预加热：将经过预处理的刀片装入真空镀膜炉中，抽真空达到5x10-3Pa后，通入Ar气，维持真空度为2.3x10-1Pa，启动HCD电子枪及炉体内辅助辅助电阻加热装置。HCD电子枪产生直流电弧后，控制HCD电子枪电流为150A；HCD电子枪的直流电弧直接照射工件。20分钟后真空室内温度189℃。
（3）表面清洗刻蚀：通入Ar维持镀膜炉真空室压力为0.3Pa，调整HCD枪电流为180A；对工件施加800V脉冲偏压；启动2个阴极多弧铬靶，溅射出来的铬离子在电场作用下轰击工件表面；在高能电子和金属离子共同作用下清洗和刻蚀表面，清洗刻蚀工件30分钟后关闭所有阴极多弧铬靶，镀膜炉真空室室内温度293℃；
（4）二元氮化物过渡层制备：保持步骤（2）中Ar气通入量，调节N2气通入量使镀膜炉真空室压力到0.5Pa；聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚，HCD电子枪电流为160A；蒸发坩锅中纯铬10分钟后关闭HCD电子枪，关闭Ar气源；调节N2流量，保持真空室压力为1Pa，启动2个阴极多弧铬靶，铬靶电流为80A，对工件施加250V脉冲偏压，10分钟后关闭所有阴极多弧铬靶；
（5）Cr1-xAlxN梯度膜层制备：仅通入N2，保持真空室内压力为0.5Pa；调整工件偏压为100V，同时启动2个阴极多弧铬靶(靶电流相同，同为ICr)和2个阴极多弧铝靶（靶电流相同，同为IAl）；在50分钟时间内每个阴极多弧铝靶的靶电流IAl由40A线性增加到120A，每个阴极多弧铬靶的靶电流ICr由100A线性减小到40A；涂层结束时真空室温度371℃；
（6）Cr30(Al,Y)70N膜层制备：启动加热辅助装置控制真空室温度在300－350℃；仅通入N2，调节真空室内压力为0.3Pa；脉冲偏压为80V，启动2个CrAlY合金阴极多弧靶，靶电流控制在80A，涂制时间为20分钟。
所得涂层外观呈灰色，球磨痕迹测试涂层的总厚度为4.1μm，其中CrN过渡层的厚度为0.6微米；Cr1-xAlxN梯度膜层的厚度2.9微米；Cr30(Al,Y)70N膜层的厚度为0.6微米；采用MFT-4000表面性能测试仪及HV-1000显微硬度测试仪，测得室温下制备态CrN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N梯度涂层的硬度和结合力分别达到81N和3553HV0.1,适合作为工具表面处理涂层。
实施例3冷作模具钢SKD1合金基片表面处理
实验用SKD1牌号合金（淬火＋回火处理后洛氏硬度为HRC63）切割成为10x10x20(mm)的矩形样品，并将其中一面经研磨、抛光处理，以便涂制TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层后测试相关性能。
（1）SKD1合金样品的表面预处理：将样品置于碱性金属清洗液煮沸10分钟表面除油；室温下将样品置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机（频率40kHz，强度为50W/升）中超声8分钟；将清洗后的刀片放入纯乙醇溶液脱水处理后置于120℃的烘箱中干燥30分钟。
（2）SKD1合金样品预加热：将经过预处理的样品装真空镀膜炉中，抽真空达到5x10-3Pa后，通入Ar气，维持真空度为2.3x10-1Pa，启动HCD电子枪。HCD电子枪产生直流电弧后，控制HCD电子枪电流为120A；HCD电子枪的直流电弧直接照射样品。30分钟后真空室内温度110℃。
（3）表面清洗刻蚀：通入Ar维持镀膜炉真空室压力为0.2Pa，调整HCD枪电流为150A；对工件施加300V脉冲偏压；启动1个阴极多弧铬靶，溅射出来的铬离子在电场作用下轰击 工件表面；在高能电子和金属离子共同作用下清洗和刻蚀表面，清洗刻蚀工件60分钟后关闭所有阴极多弧铬靶，镀膜炉真空室室内温度207℃；
（4）二元氮化物过渡层制备：保持步骤（2）中Ar气通入量，调节N2气通入量使镀膜炉真空室压力到0.3Pa；聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚，HCD电子枪电流为140A；蒸发坩锅中纯钛8分钟后关闭HCD电子枪，关闭Ar气源；调节N2流量，保持真空室压力为1.5Pa，启动2个阴极多弧铬靶，铬靶电流为60A，对工件施加150V脉冲偏压，7分钟后关闭所有阴极多弧铬靶；
（5）Cr1-xAlxN梯度膜层制备：仅通入N2，保持真空室内压力为0.3Pa；调整工件偏压为50V，同时启动2个阴极多弧铬靶(靶电流相同，同为ICr)和2个阴极多弧铝靶（靶电流相同，同为IAl）；在30分钟时间内每个阴极多弧铝靶的靶电流IAl由40A线性增加到120A，每个阴极多弧铬靶的靶电流ICr由100A线性减小到40A；涂层结束时真空室温度295℃；
（6）Cr30(Al,Y)70N膜层制备：启动加热辅助装置控制真空室温度在300－350℃；仅通入N2，调节真空室内压力为0.3Pa；脉冲偏压为80V，启动2个CrAlY合金阴极多弧靶，靶电流控制在70A，涂制时间为10分钟；
所得涂层外观呈灰色，球磨痕迹测试涂层的总厚度为2.4μm，其中TiN过渡层的厚度为0.51微米；Cr1-xAlxN梯度膜层的厚度1.52微米；Cr30(Al,Y)70N膜层的厚度为0.35微米；采用MFT-4000表面性能测试仪及HV-1000显微硬度测试仪，测得室温下TiN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N梯度涂层的硬度和结合力分别达到61N和3089HV0.1,适合作为模具表面处理涂层。
Claims (6)
1.一种AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层，其特征在于：该涂层制备在硬质合金或钢铁基体上，涂层结构由三个部分组成，第一部分为CrN或TiN膜层，作为结合层和过渡层；第二部分为Cr1-xAlxN梯度膜层，其中梯度膜层从内到外结构式中的铝含量X由0.1线性过渡到0.7；第三部分涂层外层为含钇的Cr30(Al,Y)70N膜层；所述AN为CrN或TiN。
2.根据权利要求1所述的种AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层，其特征在于TiN或CrN过渡层的厚度为0.3－0.6微米；Cr1-xAlxN梯度膜层的厚度1.5-3.4微米；Cr30(Al,Y)70N膜层的厚度为0.3－1.0微米；整个涂层厚度2.1-5μm。
3.权利要求1或2所述的AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件：
（1）工件表面预处理：将工件置于碱性金属清洗液进行表面除油；再在室温下将工件置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机中超声处理；然后将清洗后的工件放入纯乙醇溶液脱水处理后干燥；所述工件为硬质合金或钢铁基体工件；
（2）预加热：将经过预处理的工件装入真空镀膜炉中，抽真空达到5x10-3Pa后，通入Ar气，维持真空度为0.1-0.4Pa，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；HCD电子枪起弧后，控制HCD电子枪电流在110-180A；HCD源的直流等离子体电弧直接照射工件表面，直到真空室内达到100℃-200℃；
（3）表面清洗刻蚀：通入Ar维持镀膜炉真空室压力为0.1-0.4Pa，调整HCD枪电流为120-180A；对工件施加300-800V脉冲偏压；启动1－3个阴极多弧铬靶，溅射出来的铬离子在电场作用下轰击工件表面；在高能电子和金属离子共同作用下清洗和刻蚀表面，清洗刻蚀工件30-60分钟后关闭所有阴极多弧铬靶，镀膜炉真空室室内温度不超过300℃；
（4）二元氮化物过渡层AN制备：保持步骤（2）中Ar气通入量，调节N2气通入量使镀膜炉真空室压力增加0.1-0.5Pa；聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚，HCD电子枪电流为120-160A；蒸发坩锅中纯钛或纯铬6-10分钟后关闭HCD电子枪，关闭Ar气源；调节N2流量，保持真空室压力为0.5-1.5Pa，启动2个阴极多弧铬靶，铬靶电流为60-80A，对工件施加150-250V脉冲偏压，5－10分钟后关闭所有阴极多弧铬靶；
（5）Cr1-xAlxN梯度膜层制备：仅通入N2，保持真空室内压力为0.1-0.5Pa；调整工件偏压为50-100V，启动2个阴极多弧铬靶，保持两靶靶电流相同，每个阴极多弧铬靶的靶电流ICr在40－100A范围内变化；同时启动2个阴极多弧铝靶，保持两靶电流相同，阴极多弧铝靶的靶电流IAl在40－100A范围内变化；该步骤镀制时间为30-50分钟，起始到结束IAl/ICr电流比由0.4线性变化到3.0，使膜层中金属原子数量比[Al]/{[Al]+[Cr]}在10％－70％范围内呈线性变化；Cr1-xAlxN梯度膜层制备结束时真空室温度低于400℃；
（6）Cr30(Al,Y)70N膜层制备：启动加热辅助装置控制真空室温度在300－350℃；通入N2，调节真空室内压力为0.3Pa；脉冲偏压为80V，启动2个CrAlY合金阴极多弧靶，靶电流控制在60－80A，时间为10－20分钟。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述超声清洗机中超声处理的超声频率为20－40KHz；强度为10－100W/升。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（5）镀制时间为40-50分钟。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤（3）启动2个阴极多弧铬靶。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210248641.XA CN102766846B (zh) | 2012-07-18 | 2012-07-18 | AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201210248641.XA CN102766846B (zh) | 2012-07-18 | 2012-07-18 | AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN102766846A CN102766846A (zh) | 2012-11-07 |
| CN102766846B true CN102766846B (zh) | 2014-04-23 |
Family
ID=47094407
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201210248641.XA Active CN102766846B (zh) | 2012-07-18 | 2012-07-18 | AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN102766846B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103436841B (zh) * | 2013-08-01 | 2015-10-07 | 江西科技师范大学 | 钇改性碳氮化铬铝/氮化硅纳米复合涂层及其沉积方法 |
| CN103898445B (zh) * | 2014-04-18 | 2016-03-23 | 常州多晶涂层科技有限公司 | 一种多层AlCrN切削刀具涂层及其制备方法 |
| CN103952671B (zh) * | 2014-04-29 | 2016-03-23 | 安徽多晶涂层科技有限公司 | 一种采用调频电磁线圈制备多弧离子镀硬质涂层及方法 |
| CN104441828B (zh) * | 2014-12-04 | 2016-08-17 | 安徽多晶涂层科技有限公司 | 一种抗海水腐蚀多层复合结构的AlCrSiN薄膜及其制备方法 |
| CN105039919B (zh) * | 2015-08-25 | 2018-04-13 | 西安理工大学 | CrxAlyY1‑x‑yN纳米复合刀具镀层制备方法 |
| CN105154825B (zh) * | 2015-09-22 | 2018-04-13 | 华南理工大学 | 一种等离子辅助电弧技术制备TiCN成分梯度硬质涂层的方法 |
| WO2023004752A1 (zh) * | 2021-07-30 | 2023-02-02 | 湖南泰嘉新材料科技股份有限公司 | 一种周期性多层结构涂层带锯条及其制备方法和应用 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101033539A (zh) * | 2006-03-08 | 2007-09-12 | 中国科学院金属研究所 | 一种在宽温度范围内抗高温腐蚀的CrN/CrAlN防护涂层及制备方法 |
| JP2011194535A (ja) * | 2010-03-23 | 2011-10-06 | Mitsubishi Materials Corp | 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具 |
-
2012
- 2012-07-18 CN CN201210248641.XA patent/CN102766846B/zh active Active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101033539A (zh) * | 2006-03-08 | 2007-09-12 | 中国科学院金属研究所 | 一种在宽温度范围内抗高温腐蚀的CrN/CrAlN防护涂层及制备方法 |
| JP2011194535A (ja) * | 2010-03-23 | 2011-10-06 | Mitsubishi Materials Corp | 硬質被覆層がすぐれた耐欠損性を発揮する表面被覆切削工具 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Florian Rovere 等.Impact of Yttrium on structure and mechanical properties of Cr-Al-N thin films.《J.Vac.Sci.Technol.A》.2007,第25卷(第5期), |
| Impact of Yttrium on structure and mechanical properties of Cr-Al-N thin films;Florian Rovere 等;《J.Vac.Sci.Technol.A》;20070731;第25卷(第5期);1336-1140 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102766846A (zh) | 2012-11-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102766846B (zh) | AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层及其制备方法 | |
| CN101698362B (zh) | 一种自润滑硬质纳米复合多层涂层及其制备方法 | |
| CN101712215B (zh) | 一种TiCN系列纳米梯度复合多层涂层的制备方法 | |
| CN107201499B (zh) | 一种钛合金切削用成分梯度TiAlXN涂层刀具及其制备方法 | |
| CN109161841B (zh) | 一种AlCrN/AlCrSiN超硬纳米复合多层涂层及其制备方法和应用 | |
| CN101698933B (zh) | 一种多元Ti-Al-N系纳米复合多层涂层及其制备方法 | |
| CN110016642A (zh) | 一种微织构梯度涂层刀具及其制备方法 | |
| CN102345099B (zh) | 一种汽轮机叶片材料表面多层抗点蚀涂层的制备方法 | |
| CN101698363B (zh) | TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层及其制备方法 | |
| CN105839049B (zh) | 一种钛铝合金表面抗高温氧化、耐磨损AlCrN涂层及其制备方法 | |
| CN106244986B (zh) | 功能梯度的类金刚石碳薄膜及其制备方法和制品 | |
| CN108642449A (zh) | 超硬强韧高熵合金氮化物纳米复合涂层硬质合金刀片及其制备方法 | |
| CN107937873B (zh) | 碳掺杂的过渡金属硼化物涂层、碳-过渡金属硼化物复合涂层、制备方法及应用和切削工具 | |
| CN111349901B (zh) | 一种切削刀具用耐高温氧化铝厚膜涂层的制备方法 | |
| CN107523790A (zh) | 一种AlCrSiCuN纳米多层涂层及其制备方法 | |
| CN106756820B (zh) | 含类金刚石复合涂层及其制备方法 | |
| Wei et al. | Microstructure and mechanical properties of TiN/TiAlN multilayer coatings deposited by arc ion plating with separate targets | |
| CN103952671B (zh) | 一种采用调频电磁线圈制备多弧离子镀硬质涂层及方法 | |
| CN110306190A (zh) | 一种多元纳米梯度涂层刀具及其制备方法 | |
| CN107338409B (zh) | 可调控磁场电弧离子镀制备氮基硬质涂层的工艺方法 | |
| CN102560338B (zh) | 一种金属陶瓷涂层及其制备方法 | |
| CN103143761A (zh) | 一种AlTiN-MoN纳米多层复合涂层铣刀及其制备方法 | |
| CN109402564A (zh) | 一种AlCrSiN和AlCrSiON双层纳米复合涂层及其制备方法 | |
| CN108251797A (zh) | 一种钛合金切削刀具用TiAlN/CrN多层涂层及其制备方法 | |
| RU123356U1 (ru) | Режущая пластина для обработки титановых сплавов |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 510640 Tianhe District, Guangdong, No. five road, No. 381, Applicant after: South China University of Technology Applicant after: Guangzhou GrandTech Co., Ltd. Address before: 510640 Tianhe District, Guangdong, No. five road, No. 381, Applicant before: South China University of Technology Applicant before: Guangzhou GrandTech Co., Ltd. |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |