CN103757597A - 一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法 - Google Patents
一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN103757597A CN103757597A CN201410044737.3A CN201410044737A CN103757597A CN 103757597 A CN103757597 A CN 103757597A CN 201410044737 A CN201410044737 A CN 201410044737A CN 103757597 A CN103757597 A CN 103757597A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- cralsin
- tin
- target
- matrix
- layer
- 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.)
- Granted
Links
Landscapes
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Cutting Tools, Boring Holders, And Turrets (AREA)
Abstract
本发明公开一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及制备方法。所述TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层由纳米复合结构的CrAlSiN层和TiN层交替沉积在基体上形成，靠近基体的一层为TiN层，最上层为纳米复合结构的CrAlSiN层；所述TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层厚度为2.0-3.2μm，所述纳米复合结构的CrAlSiN层厚度为1.2nm，所述的TiN层厚度为6.0nm。其制备方法包括清洗基体和交替溅射CrAlSiN层和TiN层等2个步骤。该TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层硬度较高，当Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为5:20时，其硬度高达39.7GPa。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型硬质保护涂层，特别涉及一种新型具有两相调制层的高硬度TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法，主要应用在干式、高速切削加工刀具表面，从而提高刀具的寿命。
背景技术
随着社会的进步和科技的发展，对材料表面性能提出了越来越高的要求，不仅要求其具有较高的硬度、耐磨、耐腐蚀性能，更要求其具有较高的耐高温性能，以满足越来越高的工程需要。在材料表面涂覆一层硬质涂层是提高材料表面性能的一种经济实用的有效途径，硬质涂层作为机械功能膜的一个重要分支，在机械加工工具中应用很广，特别是在金属切削中占了主导地位。硬质涂层能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命。它的发展适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，引起了刀具材料和性能的巨变，可被广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。
多年来，多元氮化物由于具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性、较高的抗氧化性能等优点被广泛应用于保护性硬质涂层材料，如TiAlN、ZrAlN、TiSiN和CrAlSiN等，已经在提高刀具切削精度和使用寿命上取得了较好的效果。然而，随着目前切削技术逐渐向高速切削和干式切削方向发展，对涂层材料的硬度、抗氧化性能、热稳定性等性能提出了更高的要求。传统的单层涂层已逐渐不能满足现代切削技术的要求，因此迫切需要开发新型的保护性涂层材料。随着纳米科学与技术的发展，纳米多层涂层成为硬质涂层材料的重要发展方向。所谓多层涂层是由两种或两种以上成分或结构不同的材料在垂直于涂层表面方向上相互交替生长而形成的二维多层材料，对于两种不同结构或组成的多层涂层，每相邻两层形成一个基本单元，其厚度称为调制周期，通常将调制周期小于100nm的多层涂层成为纳米多层涂层，研究表明，当调制周期为特定的厚度时，纳米多层涂层将呈现硬度异常升高的“超硬效应”，使纳米多层涂层具有高的力学性能。另外，作为一种二维复合材料，纳米多层涂层可以充分利用每种材料的优点，使其的综合性能得到提升。因此，纳米多层涂层是新型保护型硬质涂层的重要发展方向。
通过查文献得知，纳米多层涂层目前已经通过多种方法成功制得，取得不少有益的成果，如CrN/TiN、TiN/SiNx、CrAlN/SiO2等。通过查询，检索到如下有关制备纳米多层涂层的中国专利：
申请号为CN200610029132的专利涉及了一种反应磁控溅射TiN/SiO2硬质纳米多层涂层的制备方法，属于工模具涂层制备技术领域，采用多靶磁控溅射涂层制备设备，在低气压的Ar和N2混合气氛中，由独立的射频阴极分别控制金属Ti靶和化合物SiO2靶，通过基体在两靶前产生的等离子体中交替停留形成层状结构。其中TiN层通过金属Ti靶与N2气反应生成，而SiO2层则由SiO2化合物靶直接溅射获得。本发明提供的具有很高生产效率的TiN/SiO2纳米多层涂层的反应磁控溅射制备技术，可以适用于高速切削和干式切削涂层的工业规模化生产的需要。
申请号为CN201110082001的专利涉及了一种Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具及其制备工艺，刀具基体材料为硬质合金或高速钢，刀具基体表面为ZrN高硬度涂层，刀具基体与ZrN高硬度涂层之间有Ti过渡层，在Ti过渡层与表面ZrN高硬度涂层之间为Zr和ZrN交替的多层结构。具体工艺包括前处理、离子清洗、沉积Ti过渡层、反复沉积Zr层和ZrN层、沉积表面ZrN层的步骤。Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具含有高硬度ZrN涂层和韧性金属Zr，可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与基体间的结合强度，从而提高涂层的耐磨性。然而，该工艺制备的纳米多层涂层的抗高温氧化性能仍需进一步提高。
申请号为CN200710036185的专利涉及了一种切削不锈钢用的PVD纳米多层涂层及其制备方法，具体制作工艺如下：(A)将硬质合金基体做表面清洁处理；(B)接着在真空条件下，采用多靶磁控溅射方法在旋转运动的硬质合金基体上交替沉积以TiN/(Tix,Al1-x)N/(Tiy,Al1-y)N/(Tix,Al1-x)N为调制周期的纳米多层涂层，采用Ar为溅射气体，Ar的流量为180～300cm3/s，反应气体为N2，并通过控制N2的分压来控制总压。该发明将具有优良高温抗氧化性能的高Al含量TiAlN引入到多层涂层材料体系中，提高了涂层的高温抗氧化性能和硬度，通过显微结构优化设计，改善了涂层的韧性，使该种涂层在具有高温抗氧化性能的同时，还获得了优异的力学性能。
申请号为CN201010237724的专利涉及了一种切削工具技术领域的硼化钛/氮化硅纳米多层涂层及其制备方法，纳米多层涂层由TiB2和Si3N4两种材料交替沉积形成纳米量级的多层结构，在多层结构中的每一个双层结构，TiB2层的厚度为2～8nm，Si3N4层厚为0.2～0.8nm。制备方法如下：首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷的基体上采用在Ar气氛中双靶射频溅射方法交替沉积TiB2层和Si3N4层，制取TiB2/Si3N4纳米多层涂层，其中TiB2采用TiB2靶直接溅射得到，而Si3N4采用直接溅射Si3N4化合物靶材提供。本发明所得的TiB2/Si3N4纳米多层涂层不但具有优良的高温抗氧化性，而且具有高于37GPa，最高达到45GPa的硬度。
申请号为CN201110138010的专利涉及了一种高硬度高弹性模量TiAlN/AlON纳米多层涂层及其制备方法。所述涂层由多个TiAlN层和AlON层构成，各TiAlN层和AlON层交替沉积在基体上，其总厚度为1.5～2.0μm。其制备方法首先将基体表面抛光处理，经超声波清洗和离子清洗后，再采用反应溅射法在基体上交替溅射TiAlN层和AlON层。本发明的TiAlN/AlON纳米多层涂层不但具有高于35GPa的硬度和高于350GPa的弹性模量，还具有抗高温氧化性能，可作为高速切削刀具及其它高温条件下服役耐磨工件的保护涂层，其制备方法具有工艺简单、沉积速度快、成本低、结合强度高等优点。
然而，在以往对于纳米多层膜的研究中，无论调质层是晶态还是非晶态，调质层均是由单相组成，如TiN/VN、TiN/CrN和TiAlN/SiO2等。对于由两相或多相化合物充当纳米多层膜的调质层很少被研究和报道。此外，根据以往对纳米多层膜的研究，其超硬效应的出现主要与其组成层的调制周期和调制比有关，而对其调制层中组成成分的影响研究甚少。
发明内容
本发明的目的是设计了一类具有纳米多层和纳米复合结构的新型超硬涂层材料结构体系，CrAlSiN具有纳米复合结构，并由CrAlN和SiNx两相组成，由CrAlSiN与TiN交替沉积在基体上形成纳米量级的多层结构涂层，从而丰富了超硬涂层材料研究领域内容，而且在工程实践上提出了一种新型超硬保护涂层材料的设计和制备的方法，因此在科学和工程实践领域均有重要的意义和价值。
本发明的另外一目的是提出和制备了不同Si含量的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，在不改变涂层组成元素的前提下，利用Si含量来调控涂层的硬度和其它性能。
本发明的技术方案
一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，由调制层即纳米复合结构的CrAlSiN层和TiN层交替沉积在基体上形成的，靠近基体的一层为TiN层，最上层为纳米复合结构的CrAlSiN层；
所述的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层厚度为2.0-3.2μm，所述纳米复合结构的CrAlSiN层厚度为1.2nm，所述的TiN层厚度为6.0nm；
所述基体为金属、硬质合金或陶瓷；
所述的金属优选为不锈钢或高速钢；
所述的陶瓷优选为硬质陶瓷。。
上述的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，在分析纯的无水酒精和丙酮中利用15～30kHz超声波进行清洗5～10min；然后在多靶磁控溅射仪中进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，控制功率为80-100W，对基体进行30min的离子轰击；
（2）、交替溅射CrAlSiN层和TiN层
将步骤（1）预处理好的基体置入多靶磁控溅射仪，首先采用Ti靶，控制溅射功率120W，时间12s进行溅射，然后再用CrAlSi靶，控制溅射功率为300W，时间8s进行溅射，如此交替进行300次，最后再用Ti靶，控制溅射功率100W，时间20s进行溅射，即得TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层；
所述的CrAlSi靶为Cr、Al、Si三种元素组成的复合靶材，复合靶材中Cr与Al的原子比，即Cr：Al为1:1，Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为4:21、5:20、6:19、7:18或8:17；
所述通过多靶磁控溅射仪溅射过程的控制参数为：
以直流电源控制Ti靶，射频电源控制CrAlSi靶；
多靶磁控溅射仪溅射过程中控制Ar气的气流量为30sccm，N2气的气流量为2sccm；
Ti靶和CrAlSi靶的靶基距均为5-7cm；
总气压范围0.2-0.4Pa；
溅射温度为25-200℃。
本发明的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，由于采用具有纳米复合结构的CrAlSiN作为调制层，CrAlSiN具有CrAlN和SiNx两相组成，使得CrAlSiN层在TiN层的模板作用下发生结构转变时，CrAlN和SiNx之间产生相界，因此在CrAlSiN层内形成了垂直于薄膜平面的条状的分割结构，这样就使得位错运动不仅受到薄膜生长方向上的交变应力场的影响，还会受到薄膜平面的相界的应力阻碍，使纳米多层涂层得到进一步的强化，硬度得到进一步提高。因此，该TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层涂层可用作为高速、干式切削的刀具涂层和其他领域中基体的保护涂层。
本发明的有益技术效果
本发明的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，由于其具有纳米多层和复合结构的新型超硬涂层材料结构体系，使得在此类结构设计的薄膜中不仅具有了二维的多层涂层结构，在调制层内还具有了垂直于薄膜平面的条状的分割结构，这样就使得位错运动不仅受到薄膜生长方向上的交变应力场的影响，还会受到薄膜平面的相界的应力阻碍，使TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层得到进一步的强化。经检测，其硬度最高可达39.7 GPa，显著高于TiN单层涂层的硬度。
在固定TiN层和CrAlSiN层厚度不变的条件下，通过调整CrAlSiN中Si含量的变化，得到了不同Si含量的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层。结果表明：当Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl 为4:21～8:17时，该TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层可获得较高的硬度，其硬度值均在35GPa以上。特别是当Si: CrAl的原子比为5:20时，其硬度最高可达39.7GPa。
进一步，本发明的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层的制备方法，其制备过程具有生产效率高、能耗低、对设备要求较低等优点。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不限制本发明。
本发明各实施例中所用的制备、表征和测量仪器：
多靶磁控溅射仪，JGP-450型，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司；
纳米压痕仪，NANO Indenter G200型，美国安捷伦科技公司。
实施例1
一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，由纳米复合结构的CrAlSiN层和TiN层交替沉积在基体上形成的，靠近基体的一层为TiN层，最上层为纳米复合结构的CrAlSiN层；
所述的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层厚度为2.0-3.2μm，所述的CrAlSiN层厚度为1.2nm，所述的TiN层厚度为6.0nm；
所述基体为高速钢。
上述的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，在分析纯的无水酒精和丙酮中利用15～30kHz超声波进行清洗5～10min；然后在多靶磁控溅射仪（JGP-450型，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司）中进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，控制功率为80-100W，对基体进行30min的离子轰击；
（2）、交替溅射CrAlSiN层和TiN层
将步骤（1）预处理好的基体置入多靶磁控溅射仪，首先采用Ti靶，控制溅射功率120W，时间12s进行溅射，然后再用CrAlSi靶，控制溅射功率为300W，时间8s进行溅射，如此交替进行300次，最后再用Ti靶，控制溅射功率100W，时间20s进行溅射，即得TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层；
所述的CrAlSi靶为Cr、Al、Si三种元素组成的复合靶材，其中Cr与Al的原子比，即Cr：Al为1:1，Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为4:21；
所述通过多靶磁控溅射仪溅射过程的控制参数为：
以直流电源控 制Ti靶，射频电源控制CrAlSi靶；
多靶磁控溅射仪溅射过程中控制Ar气的气流量为30sccm，N2气的气流量为2sccm；
Ti靶和CrAlSi靶的靶基距均为3-7cm；
总气压范围0.4Pa；
溅射温度为25℃。
上述所得的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，通过纳米压痕仪（NANO Indenter G200型，美国安捷伦科技公司）进行检测，其硬度为36.2GPa。
实施例2
一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，由纳米复合结构的CrAlSiN层和TiN层交替沉积在基体上形成的，靠近基体的一层为TiN层，最上层为纳米复合结构的CrAlSiN层；
所述的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层厚度为2.0-3.2μm，所述的CrAlSiN层厚度为1.2 nm，所述的TiN层厚度为6.0 nm；
所述基体为硬质合金。
上述的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，在分析纯的无水酒精和丙酮中利用15～30kHz超声波进行清洗5～10min；然后在多靶磁控溅射仪（JGP-450型，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司）中进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，控制功率为80-100W，对基体进行30min的离子轰击；
（2）、交替溅射CrAlSiN层和TiN层
将步骤（1）预处理好的基体置入多靶磁控溅射仪，首先采用Ti靶，控制溅射功率120W，时间12s进行溅射，然后再用CrAlSi靶，控制溅射功率为300W，时间8s进行溅射，如此交替进行300次，最后再用Ti靶，控制溅射功率100W，时间20s进行溅射，即得TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层；
所述的CrAlSi靶为Cr、Al、Si三种元素组成的复合靶材，其中Cr与Al的原子比，即Cr：Al为1:1，Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为5:20；
所述通过多靶磁控溅射仪溅射过程的控制参数为：
以直流电源控 制Ti靶，射频电源控制CrAlSi靶；
多靶磁控溅射仪溅射过程中控制Ar气的气流量为30sccm，N2气的气流量为2sccm；
Ti靶和CrAlSi靶的靶基距均为3-7cm；
总气压范围0.4Pa；
溅射温度为25℃。
上述所得的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，通过纳米压痕仪（NANO Indenter G200型，美国安捷伦科技公司）进行检测，其硬度为39.7GPa。
实施例3
一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，由纳米复合结构的CrAlSiN层和TiN层交替沉积在基体上形成的，靠近基体的一层为TiN层，最上层为纳米复合结构的CrAlSiN层；
所述的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层厚度为2.0-3.2μm，所述的CrAlSiN层厚度为1.2nm，所述的TiN层厚度为6.0nm；
所述基体为不锈钢。
上述的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，在分析纯的无水酒精和丙酮中利用15～30kHz超声波进行清洗5～10min；然后在多靶磁控溅射仪（JGP-450型，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司）中进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，控制功率为80-100W，对基体进行30min的离子轰击；
（2）、交替溅射CrAlSiN层和TiN层
将步骤（1）预处理好的基体置入多靶磁控溅射仪，首先采用Ti靶，控制溅射功率120W，时间12s进行溅射，然后再用CrAlSi靶，控制溅射功率为300W，时间8 s进行溅射，如此交替进行300次，最后再用Ti靶，控制溅射功率100W，时间20s进行溅射，即得TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层；
所述的CrAlSi靶为Cr、Al、Si三种元素组成的复合靶材，其中Cr与Al的原子比，即Cr：Al为1:1，Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为6:19；
所述通过多靶磁控溅射仪溅射过程的控制参数为：
以直流电源控 制Ti靶，射频电源控制CrAlSi靶；
多靶磁控溅射仪溅射过程中控制Ar气的气流量为30sccm，N2气的气流量为2sccm；
Ti靶和CrAlSi靶的靶基距均为3-7cm；
总气压范围0.4Pa；
溅射温度为200℃。
上述所得的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，通过纳米压痕仪（NANO Indenter G200型，美国安捷伦科技公司）进行检测，其硬度为38.1GPa。
实施例4
一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，由纳米复合结构的CrAlSiN层和TiN层交替沉积在基体上形成的，靠近基体的一层为TiN层，最上层为纳米复合结构的CrAlSiN层；
所述的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层厚度为2.0-3.2μm，所述的CrAlSiN层厚度为1.2 nm，所述的TiN层厚度为6.0 nm；
所述基体为硬质陶瓷。
上述的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，在分析纯的无水酒精和丙酮中利用15～30kHz超声波进行清洗5～10min；然后在多靶磁控溅射仪（JGP-450型，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司）中进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，控制功率为80-100W，对基体进行30min的离子轰击；
（2）、交替溅射CrAlSiN层和TiN层
将步骤（1）预处理好的基体置入多靶磁控溅射仪，首先采用Ti靶，控制溅射功率120W，时间12s进行溅射，然后再用CrAlSi靶，控制溅射功率为300W，时间8 s进行溅射，如此交替进行300次，最后再用Ti靶，控制溅射功率100W，时间20s进行溅射，即得TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层；
所述的CrAlSi靶为Cr、Al、Si三种元素组成的复合靶材，其中Cr与Al的原子比，即Cr：Al为1:1，Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为7:18；
所述通过多靶磁控溅射仪溅射过程的控制参数为：
以直流电源控 制Ti靶，射频电源控制CrAlSi靶；
多靶磁控溅射仪溅射过程中控制Ar气的气流量为30sccm，N2气的气流量为2sccm；
Ti靶和CrAlSi靶的靶基距均为3-7cm；
总气压范围0.2Pa；
溅射温度为100℃。
上述所得的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，通过纳米压痕仪（NANO Indenter G200型，美国安捷伦科技公司）进行检测，其硬度为37.4GPa。
实施例5
一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，由纳米复合结构的CrAlSiN层和TiN层交替沉积在基体上形成的，靠近基体的一层为TiN层，最上层为纳米复合结构的CrAlSiN层；
所述的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层厚度为2.0-3.2μm，所述的CrAlSiN层厚度为1.2 nm，所述的TiN层厚度为6.0 nm；
所述基体为高速钢。
上述的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层的制备方法，具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，在分析纯的无水酒精和丙酮中利用15～30kHz超声波进行清洗5～10min；然后在多靶磁控溅射仪（JGP-450型，中科院沈阳科学仪器研制中心有限公司）中进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，控制功率为80-100W，对基体进行30min的离子轰击；
（2）、交替溅射CrAlSiN层和TiN层
将步骤（1）预处理好的基体置入多靶磁控溅射仪，首先采用Ti靶，控制溅射功率120W，时间12s进行溅射，然后再用CrAlSi靶，控制溅射功率为300W，时间8 s进行溅射，如此交替进行300次，最后再用Ti靶，控制溅射功率100W，时间20s进行溅射，即得TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层；
所述的CrAlSi靶为Cr、Al、Si三种元素组成的复合靶材，其中Cr与Al的原子比，即Cr：Al为1:1，Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为8:17；
所述通过多靶磁控溅射仪溅射过程的控制参数为：
以直流电源控制Ti靶，射频电源控制CrAlSi靶；
多靶磁控溅射仪溅射过程中控制Ar气的气流量为30sccm，N2气的气流量为2sccm；
Ti靶和CrAlSi靶的靶基距均为3-7cm；
总气压范围0.4Pa；
溅射温度为200℃。
上述所得的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，通过纳米压痕仪（NANO Indenter G200型，美国安捷伦科技公司）进行检测，其硬度为35.6GPa。
综上所述，本发明的本发明的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，由于采用具有纳米复合结构的CrAlSiN作为调制层，使得位错运动不仅受到薄膜生长方向上的交变应力场的影响，还会受到薄膜平面的相界的应力阻碍，使TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层得到进一步的强化，硬度得到进一步提高。当Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为4:21～8:17时，其硬度为35.6-39.7GPa，特别是，当Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为5：20时，其硬度高达39.7GPa，即TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层显著高于TiN单层涂层的硬度。因此，本发明TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层可用作为高速、干式切削的刀具涂层和其他领域中基体的保护涂层。
以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，其特征在于所述的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层由纳米复合结构的CrAlSiN层和TiN层交替沉积在基体上形成的，靠近基体的一层为TiN层，最上层为纳米复合结构的CrAlSiN层；
所述的TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层厚度为2.0-3.2μm，所述纳米复合结构的CrAlSiN层厚度为1.2nm，所述的TiN层厚度为6.0nm；
所述基体为金属、硬质合金或陶瓷。
2.如权利要求1所述的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层，其特征在于所述的金属为不锈钢或高速钢；所述的陶瓷为硬质陶瓷。
3.如权利要求1所述的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤：
（1）、清洗基体
首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，在分析纯的无水酒精和丙酮中利用15～30kHz超声波进行清洗5～10min；然后在多靶磁控溅射仪中进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽真空到6×10-4Pa后通入Ar气，维持真空度在2-4Pa，控制功率为80-100W，对基体进行30min的离子轰击；
（2）、交替溅射CrAlSiN层和TiN层
将步骤（1）预处理好的基体置入多靶磁控溅射仪，首先采用Ti靶，控制溅射功率120W，时间12s进行溅射，然后再用CrAlSi靶，控制溅射功率为300W，时间8s进行溅射，如此交替进行300次，最后再用Ti靶，控制溅射功率100W，时间20s进行溅射，即得TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层；
所述的CrAlSi靶为Cr、Al、Si三种元素组成的复合靶材，其中Cr与Al的原子比，即Cr：Al为1:1，Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为4:21～8:17；
所述通过多靶磁控溅射仪溅射过程的控制参数为：
以直流电源控制Ti靶，射频电源控制CrAlSi靶；
多靶磁控溅射仪溅射过程中控制Ar气的气流量为30sccm，N2气的气流量为2sccm；
Ti靶和CrAlSi靶的靶基距均为5-7cm；
总气压范围0.2-0.4Pa；
溅射温度为25-200℃。
4.如权利要求3所述的一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层的制备方法，其特征在于步骤（2）中所述的Si与CrAl的原子比，即Si：CrAl为4:21、5:20、6:19、7:18或8:17。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410044737.3A CN103757597B (zh) | 2014-02-07 | 2014-02-07 | 一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410044737.3A CN103757597B (zh) | 2014-02-07 | 2014-02-07 | 一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN103757597A true CN103757597A (zh) | 2014-04-30 |
| CN103757597B CN103757597B (zh) | 2016-03-23 |
Family
ID=50524911
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410044737.3A Active CN103757597B (zh) | 2014-02-07 | 2014-02-07 | 一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN103757597B (zh) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104846332A (zh) * | 2015-04-17 | 2015-08-19 | 岭南师范学院 | 一种超润滑多层纳米复合涂层及其制备方法 |
| CN105648410A (zh) * | 2014-11-11 | 2016-06-08 | 基准精密工业（惠州）有限公司 | 氮化钛/碳化钛涂层及其制备方法及具有该涂层的被覆件 |
| CN105839054A (zh) * | 2016-05-24 | 2016-08-10 | 上海都浩真空镀膜技术有限公司 | 一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层及其制备方法 |
| CN106191791A (zh) * | 2016-07-06 | 2016-12-07 | 广东工业大学 | 一种高温低摩擦CrAlSiON纳米复合涂层及其制备方法 |
| CN107740053A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-02-27 | 广东工业大学 | 一种AlCrSiN/VSiN纳米多层涂层及其制备方法 |
| CN107747092A (zh) * | 2017-10-10 | 2018-03-02 | 岭南师范学院 | 一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具 |
| CN107761063A (zh) * | 2017-08-31 | 2018-03-06 | 广东省稀有金属研究所 | 一种高温抗氧化自润滑多层涂层及其制备方法 |
| CN108866491A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-11-23 | 山东大学 | TiAlN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法 |
| CN109161841A (zh) * | 2018-07-27 | 2019-01-08 | 广东工业大学 | 一种AlCrN/AlCrSiN超硬纳米复合多层涂层及其制备方法和应用 |
| CN109207924A (zh) * | 2018-11-06 | 2019-01-15 | 镇江东艺机械有限公司 | 一种用于高速切削刀具的复合pvd涂层制备工艺 |
| CN109930106A (zh) * | 2019-05-08 | 2019-06-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种具有高耐磨损能力的TiAlSi/TiAlSiN多层交替涂层的制备方法 |
| CN112853287A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-28 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种具有长时间耐高温水蒸汽氧化的防护涂层及其制备方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110171444A1 (en) * | 2010-01-11 | 2011-07-14 | Iscar, Ltd. | Coated Cutting Tool |
| CN102400099A (zh) * | 2011-11-04 | 2012-04-04 | 四川大学 | 核裂变堆燃料包壳表面CrAlSiN梯度涂层制备工艺 |
| CN102605324A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-07-25 | 马鞍山多晶金属材料科技有限公司 | 一种多弧离子镀超晶格纳米复合涂层及其制备方法 |
-
2014
- 2014-02-07 CN CN201410044737.3A patent/CN103757597B/zh active Active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110171444A1 (en) * | 2010-01-11 | 2011-07-14 | Iscar, Ltd. | Coated Cutting Tool |
| CN102400099A (zh) * | 2011-11-04 | 2012-04-04 | 四川大学 | 核裂变堆燃料包壳表面CrAlSiN梯度涂层制备工艺 |
| CN102605324A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-07-25 | 马鞍山多晶金属材料科技有限公司 | 一种多弧离子镀超晶格纳米复合涂层及其制备方法 |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105648410A (zh) * | 2014-11-11 | 2016-06-08 | 基准精密工业（惠州）有限公司 | 氮化钛/碳化钛涂层及其制备方法及具有该涂层的被覆件 |
| CN104846332A (zh) * | 2015-04-17 | 2015-08-19 | 岭南师范学院 | 一种超润滑多层纳米复合涂层及其制备方法 |
| CN105839054A (zh) * | 2016-05-24 | 2016-08-10 | 上海都浩真空镀膜技术有限公司 | 一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层及其制备方法 |
| CN106191791A (zh) * | 2016-07-06 | 2016-12-07 | 广东工业大学 | 一种高温低摩擦CrAlSiON纳米复合涂层及其制备方法 |
| CN107761063A (zh) * | 2017-08-31 | 2018-03-06 | 广东省稀有金属研究所 | 一种高温抗氧化自润滑多层涂层及其制备方法 |
| CN107747092A (zh) * | 2017-10-10 | 2018-03-02 | 岭南师范学院 | 一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具 |
| WO2019072084A1 (zh) * | 2017-10-10 | 2019-04-18 | 岭南师范学院 | 一种耐高温硬质复合涂层及其制备方法和涂层刀具 |
| CN107740053A (zh) * | 2017-10-30 | 2018-02-27 | 广东工业大学 | 一种AlCrSiN/VSiN纳米多层涂层及其制备方法 |
| CN108866491A (zh) * | 2018-07-24 | 2018-11-23 | 山东大学 | TiAlN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法 |
| CN109161841A (zh) * | 2018-07-27 | 2019-01-08 | 广东工业大学 | 一种AlCrN/AlCrSiN超硬纳米复合多层涂层及其制备方法和应用 |
| CN109207924A (zh) * | 2018-11-06 | 2019-01-15 | 镇江东艺机械有限公司 | 一种用于高速切削刀具的复合pvd涂层制备工艺 |
| CN109930106A (zh) * | 2019-05-08 | 2019-06-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种具有高耐磨损能力的TiAlSi/TiAlSiN多层交替涂层的制备方法 |
| CN112853287A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-05-28 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种具有长时间耐高温水蒸汽氧化的防护涂层及其制备方法 |
| CN112853287B (zh) * | 2020-12-31 | 2022-12-06 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种具有长时间耐高温水蒸汽氧化的防护涂层及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN103757597B (zh) | 2016-03-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN103757597B (zh) | 一种TiN/CrAlSiN纳米复合多层涂层及其制备方法 | |
| CN104002516B (zh) | 一种具有高硬度和低摩擦系数的CrAlN/MoS2多层涂层及其制备方法 | |
| CN102011091B (zh) | 高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层及其制备方法 | |
| CN105296949B (zh) | 一种具有超高硬度的纳米结构涂层及其制备方法 | |
| CN102080207B (zh) | 一种DLC/TiAlN/CrN/Cr多层超硬膜涂层及其制备方法 | |
| CN101798678B (zh) | 一种磁控溅射技术制备的新型超硬TiB2/c-BN纳米多层薄膜 | |
| CN104029435B (zh) | 一种具有高硬度和低摩擦系数的NbN/WS2多层涂层及其制备方法 | |
| CN106835037A (zh) | 一种高硬度、高弹性模量的多组元氮化物涂层及其制备方法 | |
| CN106191772B (zh) | 一种含有多相AlCrN纳米插入层的高硬度CrAlN涂层及其制备方法 | |
| CN103305789B (zh) | 一种CrAlN/ZrO2纳米涂层及其制备方法 | |
| CN104805408B (zh) | 高硬度TiSiBN纳米复合结构保护性涂层及其制备方法 | |
| CN105839054A (zh) | 一种CrAlTiSiN刀具保护性涂层及其制备方法 | |
| CN106987800B (zh) | 一种周期性多层结构的二硼化钛-二硼化锆涂层及其制备方法和应用 | |
| CN103510061A (zh) | 一种高硬度、高弹性模量TiSiN保护涂层的制备方法 | |
| CN102011093B (zh) | 高硬度高弹性模量CrAlN/AlON纳米多层涂层材料及其制备方法 | |
| CN107190233A (zh) | 一种具有超高硬度的Si掺杂纳米复合涂层的制备工艺 | |
| CN104152857B (zh) | 一种高硬度TiAlZrN/CrN纳米多层涂层及其制备方法 | |
| CN106756833B (zh) | 一种高硬度TiCrN/TiSiN纳米多层结构涂层及其制备方法 | |
| CN105441945B (zh) | 一种高硬度低摩擦系数的纳米涂层及其制备方法 | |
| CN102011092B (zh) | 高硬度高弹性模量CrAlN/SiO2纳米多层涂层材料及其制备方法 | |
| CN102206808B (zh) | 高硬度高弹性模量TiAlN/AlON纳米多层涂层及其制备方法 | |
| CN204752842U (zh) | 高硬度和高耐磨性TiAlN/ZrSiN纳米结构保护性涂层 | |
| CN104878359B (zh) | 高硬度和高耐磨性TiAlN/ZrSiN纳米结构保护性涂层及其制备方法 | |
| CN102337499A (zh) | 高硬度高弹性模量TiAlN/SiO2纳米多层涂层及其制备方法 | |
| CN107177845A (zh) | 一种TiSiN/CNx纳米多层涂层及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |