CN103898467A - 一种纳米复合TiCrBN涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米复合TiCrBN涂层及其制备方法，包括沉积于衬底基体上的Cr金属结合层、沉积于Cr金属结合层上的CrN过渡层以及沉积于CrN过渡层上的TiCrBN复合层，所述TiCrBN复合层为纳米TiN/CrN晶粒镶嵌于非晶BN之中，TiN/CrN晶粒尺寸为3～20nm。本发明的涂层可以满足对刀具高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性的要求，该纳米复合TiCrBN涂层具有高硬度，低摩擦系数，优越的抗高温氧化及抗化学腐蚀性能，能大大提高被保护工具的使用寿命，在刀具切削及表面防护领域具有重大的应用前景。

Description

一种纳米复合TiCrBN涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种刀具涂层及其制备方法，尤其涉及的是一种纳米复合TiCrBN涂层及其制备方法。

背景技术

金属切削加工中，要求刀具有高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性等性能。涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破，它将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，而硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数的特点，使刀具的性能得到大大提高。TiN是应用最广泛的硬质涂层材料，但TiN涂层一直存在高温氧化的问题，并且随着材料工业的发展它的硬度也已不能满足现代机械加工对刀具的要求。纳米复合结构涂层是孤立的纳米晶体（如nc-TiN）镶嵌在很薄的非晶基体（如a-Si₃N₄）中的一种复合结构涂层，纳米晶具有比较高的硬度，非晶相具有高的结构弹性，两相界面有高的内聚能，晶体相和非晶相在热力学上呈分离趋势，因此，这种涂层具有超高硬度、高韧性、优异的高温稳定性和热硬性、高的抗氧化性等，适应于高速加工难加工材料对刀具涂层的要求。因此，寻找具有高硬度，低摩擦系数，优越的抗高温氧化及化学腐蚀性能的纳米复合涂层，在刀具切削及表面防护领域具有重大的应用价值。

磁控溅射和电弧离子镀是PVD制备刀具涂层的主流技术，各有优缺点。磁控溅射可以低温沉积，生长的涂层表面光滑无大颗粒但该技术离化率较低，电弧离子镀离化率高、膜基结合力强但生成的涂层表面粗糙有大颗粒。近几年发展起来的高功率脉冲磁控溅射技术（HighPower Impulse Magnetron Sputtering，HIPIMS）综合了磁控溅射和电弧离子镀的优点。HIPIMS利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来实现产生高金属离化率（>50%）。HIPIMS技术综合了磁控溅射低温沉积、表面光滑、无颗粒缺陷和电弧离子镀金属离化率高、膜基结合力强、涂层致密的优点，且离子束流不含电弧离子镀的大颗粒，在控制涂层微结构的同时获得优异的膜基结合力和可调节的涂层内应力，被认为是PVD发展史上最重要的一项技术突破。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种纳米复合TiCrBN涂层及其制备方法，大大提高被保护工件的使用寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的涂层包括沉积于衬底基体上的Cr金属结合层、沉积于Cr金属结合层上的CrN过渡层以及沉积于CrN过渡层上的TiCrBN复合层，所述TiCrBN复合层为纳米TiN/CrN晶粒镶嵌于非晶BN之中，TiN/CrN晶粒尺寸为3～20nm；所述TiCrBN复合层中的各元素含量范围是：Cr10.6～39.6at.%,Ti5.2～14.3at.%,B11.2～28.9at.%,N44～46.2at.%。

作为本发明的优选方式之一，所述Cr金属结合层的厚度为100～500nm。该厚度范围内Cr金属结合层与衬底基体具有较强的结合力。

作为本发明的优选方式之一，所述CrN过渡层的厚度为200～1000nm。该厚度范围内CrN过渡层可以进一步降低纳米复合涂层TiCrBN的内应力，从而提高提高复合涂层的韧性。

一种纳米复合TiCrBN涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将衬底基体清洗吹干后置于磁控溅射腔体内的工件架上，当本底真空达到1×10^-4～5×10^-3Pa后，通入Ar气至气压达到0.1～1Pa，调节衬底温度在300～500℃，偏压-700～-1000V，对经过表面处理的衬底基体进行辉光清洗；

（2）辉光清洗结束后，调节Ar气压在0.4～0.8Pa，偏压在-150～-300V，打开Cr直流磁控溅射靶，沉积100～500nm厚的Cr金属结合层；

（3）通入N₂气并调节气压在0.4～1Pa,偏压-100～-200V，制备200～1000nm厚度的CrN过渡层；

（4）然后通入Ar和N₂混合气体并控制气压在0.2～0.9Pa,Ar：N₂的流量比为5:1～1:1，衬底温度100～300℃，偏压-100～-300V,同时打开高功率脉冲磁控溅射靶TiB₂和直流磁控溅射靶Cr，分别控制功率在0.1～1kW和0.1～0.8kW，沉积TiCrBN复合层，并控制整个涂层的厚度为1～5μm。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的涂层可以满足对刀具高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性的要求，有机结合了高功率脉冲磁控溅射的优点，制备出高性能的具有纳米复合结构的TiCrBN复合涂层，该纳米复合TiCrBN涂层具有高硬度，低摩擦系数，优越的抗高温氧化及抗化学腐蚀性能，能大大提高被保护工具的使用寿命，在刀具切削及表面防护领域具有重大的应用前景。

附图说明

图1是Ti-Cr-B-N纳米复合涂层的截面透射电镜图像；

图2是不同成分含量的TiCrBN纳米复合涂层的硬度和摩擦系数值。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例的纳米复合TiCrBN涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将衬底基体用酒精和丙酮清洗并用N₂吹干后置于磁控溅射腔体内的工件架上，当本底真空达到1×10^-4～5×10^-3Pa后，通入Ar气至气压达到0.5Pa，调节衬底温度在400℃，偏压-850V，对经过表面处理的衬底基体进行辉光清洗；

（2）辉光清洗结束后，调节Ar气压在0.6Pa，偏压在-200V，打开Cr直流磁控溅射靶，沉积100～500nm厚的Cr金属结合层；

（3）通入N₂气并调节气压在0.6Pa,偏压-150V，制备200～1000nm厚度的CrN过渡层；

（4）然后通入Ar和N₂混合气体并控制气压在0.5Pa,Ar：N₂的流量比为2:1，衬底温度200℃，偏压-150V,同时打开高功率脉冲磁控溅射靶TiB₂和直流磁控溅射靶Cr，分别控制功率在0.6kW和0.5kW，沉积TiCrBN复合层，并控制整个涂层的厚度为1～5μm。

本实施例中，制得的TiCrBN复合层中，各个元素的原子百分比为：Cr24.5at.%,Ti11.2at.%,B19.5%,N44.8at.%。

如图1所示，（a）Ti_0.5CrB_0.8N_1.8涂层的TEM图像；（b）Ti_0.5CrB_0.8N_1.8涂层的暗场TEM像；（c）选区电子衍射图；（d）明场TEM图像，插图为快速傅里叶变换图像。

图1给出了Ti_0.5CrB_0.8N_1.8涂层的透射电镜图像，包括明场TEM像、暗场TEM像、选区电子衍射及高分辨图像。从图1a可以看出涂层呈一种典型的柱状生长模式。从图1b可以明显的看出纳米晶镶嵌的结构。从图1c可以看出涂层中存在着非晶结构。从图1d的高分辨透射电镜图像可以看出纳米晶的微结构为CrN或者TiN，再结合XRD衍射图像，可以推断出Ti_0.5CrB_0.8N_1.8是一种纳米晶TiN/CrN镶嵌于非晶BN基体的结构。

实施例2

本实施例的纳米复合TiCrBN涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将衬底基体用酒精和丙酮清洗并用N₂吹干后置于磁控溅射腔体内的工件架上，当本底真空达到1×10^-4～5×10^-3Pa后，通入Ar气至气压达到0.1Pa，调节衬底温度在300℃，偏压-700V，对经过表面处理的衬底基体进行辉光清洗；

（2）辉光清洗结束后，调节Ar气压在0.4Pa，偏压在-150V，打开Cr直流磁控溅射靶，沉积100～500nm厚的Cr金属结合层；

（3）通入N₂气并调节气压在0.4Pa,偏压-100V，制备200～1000nm厚度的CrN过渡层；

（4）然后通入Ar和N₂混合气体并控制气压在0.2Pa,Ar：N₂的流量比为5:1，衬底温度100℃，偏压-100V,同时打开高功率脉冲磁控溅射靶TiB₂和直流磁控溅射靶Cr，分别控制功率在0.1kW和0.1kW，沉积TiCrBN复合层，并控制整个涂层的厚度为1～5μm。

本实施例中，制得的TiCrBN复合层中，各个元素的原子百分比为：Cr21.2at.%,Ti13at.%,B21%,N44.8at.%，其他实施方式和实施例1相同。

实施例3

本实施例的纳米复合TiCrBN涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将衬底基体用酒精和丙酮清洗并用N₂吹干后置于磁控溅射腔体内的工件架上，当本底真空达到1×10^-4～5×10^-3Pa后，通入Ar气至气压达到1Pa，调节衬底温度在500℃，偏压-1000V，对经过表面处理的衬底基体进行辉光清洗；

（2）辉光清洗结束后，调节Ar气压在0.8Pa，偏压在-300V，打开Cr直流磁控溅射靶，沉积100～500nm厚的Cr金属结合层；

（3）通入N₂气并调节气压在1Pa,偏压-200V，制备200～1000nm厚度的CrN过渡层；

（4）然后通入Ar和N₂混合气体并控制气压在0.9Pa,Ar：N₂的流量比为1:1，衬底温度300℃，偏压-300V,同时打开高功率脉冲磁控溅射靶TiB₂和直流磁控溅射靶Cr，分别控制功率在1kW和0.8kW，沉积TiCrBN复合层，并控制整个涂层的厚度为1～5μm。

本实施例中，制得的TiCrBN复合层中，各个元素的原子百分比为：Cr14.5at.%,Ti21.1at.%,B19.2%,N45.2at.%，其他实施方式和实施例1相同。

实施例4

本实施例的纳米复合TiCrBN涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将衬底基体用酒精和丙酮清洗并用N₂吹干后置于磁控溅射腔体内的工件架上，当本底真空达到1×10^-4～5×10^-3Pa后，通入Ar气至气压达到0.3Pa，调节衬底温度在350℃，偏压-800V，对经过表面处理的衬底基体进行辉光清洗；

（2）辉光清洗结束后，调节Ar气压在0.5Pa，偏压在-250V，打开Cr直流磁控溅射靶，沉积100～500nm厚的Cr金属结合层；

（3）通入N₂气并调节气压在0.7Pa,偏压-150V，制备200～1000nm厚度的CrN过渡层；

（4）然后通入Ar和N₂混合气体并控制气压在0.7Pa,Ar：N₂的流量比为3:1，衬底温度150℃，偏压-200V,同时打开高功率脉冲磁控溅射靶TiB₂和直流磁控溅射靶Cr，分别控制功率在0.5kW和0.4kW，沉积TiCrBN复合层，并控制整个涂层的厚度为1～5μm。

本实施例中，制得的TiCrBN复合层中，各个元素的原子百分比为：Cr10.6at.%,Ti14.3at.%,B28.9%,N46.2at.%，其他实施方式和实施例1相同。

实施例5

本实施例的纳米复合TiCrBN涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将衬底基体用酒精和丙酮清洗并用N₂吹干后置于磁控溅射腔体内的工件架上，当本底真空达到1×10^-4～5×10^-3Pa后，通入Ar气至气压达到0.6Pa，调节衬底温度在350℃，偏压-900V，对经过表面处理的衬底基体进行辉光清洗；

（2）辉光清洗结束后，调节Ar气压在0.7Pa，偏压在-250V，打开Cr直流磁控溅射靶，沉积100～500nm厚的Cr金属结合层；

（3）通入N₂气并调节气压在0.6Pa,偏压-180V，制备200～1000nm厚度的CrN过渡层；

（4）然后通入Ar和N₂混合气体并控制气压在0.6Pa,Ar：N₂的流量比为4:1，衬底温度200℃，偏压-200V,同时打开高功率脉冲磁控溅射靶TiB₂和直流磁控溅射靶Cr，分别控制功率在0.6kW和0.5kW，沉积TiCrBN复合层，并控制整个涂层的厚度为1～5μm。

本实施例中，制得的TiCrBN复合层中，各个元素的原子百分比为：Cr20.6at.%,Ti12.1at.%,B23.1%,N44.2at.%，其他实施方式和实施例1相同。

实施例6

本实施例的纳米复合TiCrBN涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将衬底基体用酒精和丙酮清洗并用N₂吹干后置于磁控溅射腔体内的工件架上，当本底真空达到1×10^-4～5×10^-3Pa后，通入Ar气至气压达到0.4Pa，调节衬底温度在450℃，偏压-800V，对经过表面处理的衬底基体进行辉光清洗；

（2）辉光清洗结束后，调节Ar气压在0.5Pa，偏压在-200V，打开Cr直流磁控溅射靶，沉积100～500nm厚的Cr金属结合层；

（3）通入N₂气并调节气压在0.7Pa,偏压-100V，制备200～1000nm厚度的CrN过渡层；

（4）然后通入Ar和N₂混合气体并控制气压在0.6Pa,Ar：N₂的流量比为4:1，衬底温度250℃，偏压-200V,同时打开高功率脉冲磁控溅射靶TiB₂和直流磁控溅射靶Cr，分别控制功率在1kW和0.8kW，沉积TiCrBN复合层，并控制整个涂层的厚度为1～5μm。

本实施例中，制得的TiCrBN复合层中，各个元素的原子百分比为：Cr39.6at.%,Ti5.2at.%,B11.2%,N44at.%，其他实施方式和实施例1相同。

如图2所示，实施例1～6为工件A0～A5，涂层的硬度及摩擦系数随成分不同而发生变化，可以看出涂层摩擦系数介于0.2到0.4之间，硬度值最高可达4200kg/mm²。同时具有大于60N的结合力。

另外，TiCrBN涂层具有良好的抗高温氧化性能，800℃氧化10小时后涂层表面和截面形貌基本保持未变。

Claims (4)

1.一种纳米复合TiCrBN涂层，其特征在于，包括沉积于衬底基体上的Cr金属结合层、沉积于Cr金属结合层上的CrN过渡层以及沉积于CrN过渡层上的TiCrBN复合层，所述TiCrBN复合层为纳米TiN/CrN晶粒镶嵌于非晶BN之中，TiN/CrN晶粒尺寸为3～20nm；所述TiCrBN复合层中的各元素含量范围是：Cr10.6～39.6at.%,Ti5.2～14.3at.%,B11.2～28.9at.%,N44～46.2at.%。

2.根据权利要求1所述的一种纳米复合TiCrBN涂层，其特征在于，所述Cr金属结合层的厚度为100～500nm。

3.根据权利要求1所述的一种纳米复合TiCrBN涂层，其特征在于，所述CrN过渡层的厚度为200～1000nm。

4.一种如权利要求1所述的纳米复合TiCrBN涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）首先将衬底基体清洗吹干后置于磁控溅射腔体内的工件架上，当本底真空达到1×10^-4～5×10^-3Pa后，通入Ar气至气压达到0.1～1Pa，调节衬底温度在300～500℃，偏压-700～-1000V，对经过表面处理的衬底基体进行辉光清洗；

（2）辉光清洗结束后，调节Ar气压在0.4～0.8Pa，偏压在-150～-300V，打开Cr直流磁控溅射靶，沉积100～500nm厚的Cr金属结合层；

（3）通入N₂气并调节气压在0.4～1Pa,偏压-100～-200V，制备200～1000nm厚度的CrN过渡层；

（4）然后通入Ar和N₂混合气体并控制气压在0.2～0.9Pa,Ar：N₂的流量比为5:1～1:1，衬底温度100～300℃，偏压-100～-300V,同时打开高功率脉冲磁控溅射靶TiB₂和直流磁控溅射靶Cr，分别控制功率在0.1～1kW和0.1～0.8kW，沉积TiCrBN复合层，并控制整个涂层的厚度为1～5μm。

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