CN104302804A

CN104302804A - 一种采用物理气相沉积工艺在氮化硅切削刀具表面制备Al2O3涂层及其复合涂层的方法

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Publication number: CN104302804A
Application number: CN201380001583.3A
Authority: CN
Inventors: 伍尚华; 龙莹; 王启民; 王成勇
Original assignee: 伍尚华
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2012-12-26
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: US20140178659A1; US9290847B2; EP2940178A1; EP2940178A4; CN104302804B; WO2014101517A1

Abstract

采用物理气相沉积（PhysicalVaporDeposition,PVD）工艺在氮化硅陶瓷切削刀具表面制备氧化铝单层或多层涂层的方法。采用PVD技术制备氧化铝涂层的方法有两种：一种是采用双极脉冲电源、双向磁控溅射（DualMagnetronSputtering,DMS）技术在O₂或者Ar和O₂的混合气氛中通过反应溅射Al靶沉积氧化铝层；另一种是在Ar或Ar和O₂的混合气氛中通过双向磁控溅射技术溅射进行了导电掺杂的氧化铝陶瓷靶，制备氧化铝涂层。通过上述两种方法制备单层氧化铝涂层、氮化物氧化铝复合涂层、氮化物和氧化铝交替沉积的多层或纳米复合涂层。氧化铝可以是α-Αl₂O₃、β-Αl₂O₃、γ-Αl₂O₃或非晶Αl₂O₃。多层复合氧化铝涂层中的硬质氮化物涂层包括二元氮化物涂层、三元氮化物涂层和多元氮化物涂层，或它们的多层复合或纳米涂层。

Description

一种采用物理气相沉积工艺在氮化硅切削刀具表面制备 A1₂0₃涂层及其复合涂层的方法技术领域

本发明涉及材料高速加工中的表面涂层制备技术，特别涉及一种在氮化硅陶瓷切削刀具表面制备 A1₂0₃单层或多层涂层的新技术。

背景技术

陶瓷刀具由于具有耐高温、耐磨、极高的红硬性和化学稳定性等特性，可用于加工超硬和耐磨材料。这些优异的机械化学性能使陶瓷刀具可以在比硬质合金刀具更高切削速度下使用，甚至可以用于干切削条件的切削加工。目前使用最广泛的陶瓷刀具材料有两类：氧化铝和氮化硅。氧化铝基陶瓷具有良好的化学稳定性和高温耐磨性，是一类优异的刀具材料。但氧化铝陶瓷脆性高、强度低和抗冲击性能差，使其应用受到限制。氮化硅基陶瓷刀具有良好的耐磨性能、高的硬度、优异的高温性能和优于氧化铝基陶瓷刀具的断裂韧性，被广泛应用于切削加工，特别是对铸铁的高速切削。

然而，在高速、干切削铸铁过程中，当切削速度达到 1500sfm( surface feet per minute, 约每分钟 457米），由于刀具表面和被加工工件之间剧烈的摩擦产生大量的切削热，刀具 -工件接触区表面的温度可能达到 1000°C以上， Si₃N₄与 Fe发生化学反应，导致刀具的化学稳定性下降。此外，由于 Si₃N₄与 Fe之间的化学扩散引起刀具和含铁被加工材料之间的化学磨损，有可能出现严重的月牙洼磨损。在高速切削加工过程中，局部化学磨损有可能使刀具发生崩刃失效。因此，在高速干切削加工中，切削刀具材料的化学稳定性至关重要。

在 Si₃N₄基陶瓷刀具表面制备保护涂层是提高其化学稳定性的更有效手段。到目前为止，已在高速钢和硬质合金等多种刀具表面成功制备多种涂层，从二元涂层到复杂的多层、多元涂层。其中，应用最广泛的为过渡金属氮化物涂层，如 TiN和 TiAIN等。 TiN涂层硬度高，耐磨性好，能对刀具起到很好的保护作用。但是， TiN涂层在 600°C以上温度发生氧化，使其应用受到限制。 TiAIN涂层在高温下能形成致密的 A1₂0₃膜并与刀具基体具有良好的结合力，其抗氧化温度可达到 800°C，但是仍不能满足超过 1000°C的高速切削条件。 A1₂0₃具有高耐磨损性和红硬性，在 1000°C仍能保持良好的化学稳定性。在切削刀具表面涂覆 A1₂0₃涂层，能够在高速干切削条件下起到对刀具的保护作用，从而有效提高切削加工效率和刀具使用寿命。

在刀具上制备涂层最常用的技术是化学气相沉积（CVD) 和物理气相沉积（PVD) 。到目前为止，由于 A1₂0₃涂层的绝缘性和较高的沉积温度，最主要的制备方式是 CVD技术。此外，由于氮化硅陶瓷刀具也是绝缘体，在其表面制备 A1₂0₃涂层的主要技术仍然是 CVD。然而，采用 CVD技术制备涂层沉积温度高 (1000°C以上：)，当涂层从沉积温度冷却到室温，由于基体和涂层材料的热膨胀系数不匹配产生热应力而在涂层中产生热裂紋。在切削加工过程中，这些热裂紋可能导致刀具涂层破损或崩刃。

过去 30年， PVD涂层切削刀具在切削加工领域的应用，是现代涂层技术的一个成功典范。最早应用于切削刀具的商业涂层是 20世纪 80年代早期开发的 TiN涂层。到 20世纪 90年代，大多数刀具都涂覆有 PVD涂层，尤其是需要尖锐刀刃的刀具领域例如车螺紋、切槽、精铣等和需要高强度的刀刃的场合，如钻孔等。

目前已发展了多种 PVD技术，其中应用于切削刀具的 PVD涂层技术主要有：阴极电弧沉积（又称电弧离子镀）、溅射沉积（磁控溅射）、脉冲激光沉积和电子束物理气相沉积。射频溅射是另一种制备涂层的 PVD技术。采用射频溅射制备的涂层与基体具有良好的结合力。但是，由于沉积过程中击穿电压、放电电压和工作气压低导致沉积速率低，且很难实现大尺寸基体上的涂层沉积，加上设备费用高，制备成本高，限制了这种涂层技术的应用。

另一种方法，直流溅射，其工艺过程简单，可用于制备氧化物、氮化物和碳化物涂层。采用直流溅射技术可以在入1"+0₂的混合反应气氛中沉积不导电的 A1₂0₃涂层。但该技术不能长时间稳定沉积涂层。这是由于绝缘的 A1₂0₃涂层不仅在基体上沉积，也不可避免的在反应室内壁和靶材表面沉积，导致轰击靶面的正离子在化合物膜上积累，引起打弧和靶中毒。

采用双极双向脉冲电源制备绝缘涂层，可获得比射频技术更高的沉积速率，且不会出现靶中毒和打弧现象。双极脉冲电源（即正、负极电压交替变换的电源）可实现靶材表面的持续放电。双极脉冲电源中的正极脉冲将电子从等离子体中拉回靶材表面，中和靶材表面聚集的 Ar+。如果脉冲持续时间和正极脉冲的强度产生足够中和在靶材表面聚集的 Ar+的电流，消除电极变成负极后正极电压对 Ar+的抵制作用，从而获得持续的放电等离子流，使沉积过程得以持续。并且，正极脉冲可以使靶材中毒斑优先被溅射。这些都有助于消除靶材进一步中毒和产生电弧。因此，在溅射阴极引入双极脉冲直流电源，可以实现氧化物的反应磁控溅射沉积或氧化物如 A1₂0₃， Zr0₂, Ti0₂和 ZnO等的直接溅射沉积。

随着双极脉冲双靶磁控溅射 (DMS)技术的发明和发展，使采用 PVD技术沉积结晶绝缘涂层如 A1₂0₃成为可能。在双极双靶磁控系统中，两个靶材交替作为阴极和阳极，因此，可以在长时间内保持金属的阳极性。双向脉冲双磁控溅射技术可以在脉冲过程中对等离子体输入很高的电压，从而可以形高密度高能量粒子的等离子体。在足够高的频率下，可以消除绝缘涂层的电荷，从而有效减少或避免异常放电。

双极脉冲 DMS技术可以在刀具上沉积高质量、高结合力 α -A1₂0₃硬质涂层。另外，与其他涂层技术相比，该技术还具有工艺过程稳定和沉积速率高等特点。例如，根据专利 US6673430B2和 US6423403B2, 使用 DMS技术可以获得一种具有 Y - A1₂0₃晶型、晶粒尺寸小于 Ο.ΐμηι, 没有裂紋和杂质的绝缘涂层，沉积过程中基体的温度为 450-700°C，最好在 550-650°C范围内。

另一种在刀具表面沉积 A1₂0₃涂层的 P VD技术，就是本发明提出的采用双磁控溅射技术，在 Ar或是入1"+0₂的混合气氛中溅射进行了导电金属掺杂的 A1₂0₃陶瓷靶材。本发明中，在 A1₂0₃陶瓷靶材中掺杂金属 Al、 Ti、 Cr、 Nb、 P域导电陶瓷 SiC等。将带有导电掺杂的 A1₂0₃陶瓷靶作为阴极，两端加非对称的双极脉冲电压。上述的两种涂层技术目前都还没有应用于在氮化硅陶瓷刀具基体上沉积 A1₂0₃涂层。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种涂层制备技术，特别是关于一种在氮化硅基陶瓷刀具表面制备涂层的方法。本发明提供的涂层刀具由氮化硅陶瓷基体及其表面涂层组成，该涂层至少含有一层非晶或纳米晶 α -、 γ- 或 κ-Α1₂0₃层。

根据所述的氮化硅基陶瓷，由于其电绝缘性，不能采用传统的 PVD技术在其表面涂覆陶瓷保护涂层。本发明拟解决的第一个技术难点是在绝缘氮化硅陶瓷基体表面制备 PVD涂层。

本发明拟解决的第二个技术难点是采用 PVD技术在氮化硅陶瓷基体上制备绝缘氧化铝涂层。

本发明拟解决的第三个技术难点是提高氧化铝涂层或含氧化铝涂层氮化硅陶瓷切削刀具在高速、干切削铸铁等难加工材料时的加工性能。

本发明所述的刀具基体材料是 Si₃N₄基陶瓷，该陶瓷具有良好的耐磨性，高硬度，以及较好的高温性能和断裂韧性。

所述的 Si₃N₄基陶瓷中含有 0.1 wt %-5wt%的氧化物添加剂如 Si0₂、 A1₂0₃、 MgO、 Y₂0₃、 Zr0₂和 ReO (稀土氧化物，例如 La₂0₃)中的一种或几种。

所述的 Si₃N₄基陶瓷中含有 0.1 wt %-5wt%的导电添加剂如 TiC、 TiN、 TiCN, SiC、 MoSi₂,、 TiB₂ 和 MoSi₂+SiC等中的一种或几种，使其具有一定的导电性能，从而能采用传统的 PVD技术在其表面制备涂层。

所述的涂层有三种：单层 A1₂0₃涂层、硬质氮化物涂层和 A1₂0₃涂层组成的多层复合涂层、硬质氮化物涂层和 A1₂0₃涂层交替沉积的多层或纳米复合涂层。

所述的硬质氮化物涂层可以是简单二元氮化物 (TiN, CrN等：)、三元氮化物 (TiCN, TiAlN等）、多元氮化物 (TiAlSiN, TiAlCrYN等)或它们的多层或纳米层。

所述的 PVD技术包括双向脉冲 DMS反应溅射 A1靶或双磁控溅射导电 A1₂0₃陶瓷靶技术。

根据所述的双极脉冲 DMS技术反应溅射技术，该技术是在 0₂或者 0₂和 Ar的混合气氛中，采用双极脉冲 DMS技术反应溅射 A1阳极制备 A1₂0₃涂层，基片温度为 300-700°C，沉积压力为 0.1-2Pa。

根据所述的双磁控溅射带有导电掺杂的氧化铝靶材制备 A1₂0₃涂层技术，是在 0₂或者 0₂和 Ar的混合气氛中直接溅射带有导电掺杂的 A1₂0₃陶瓷靶制备 A1₂0₃涂层，基片温度为 300-700°C，沉积压力为 0.1-2Pa。

根据所述的带有导电掺杂的入1₂0₃陶瓷靶，导电金属如 Al、 Ti、 Cr、 Nb 和 Pt或导电陶瓷如 SiC含量为 0.3-20wt%。

根据所述的涂层刀具， A1₂0₃的主要作用是在高速切削过程中将 Si₃N₄ 基陶瓷刀具与氧及工件中的活性元素隔离开来。

根据所述的涂层刀具，硬质氮化物层的主要作用是作为粘结缓冲层提供良好的膜基结合力，且为涂层刀具体系提供优异的抗热性和耐磨性。

根据所述的涂层刀具， Si₃N₄基陶瓷刀具 /刀片基体保证刀具在高温下的机械性能。

本发明提供的涂层刀具可以有效应用于高速干切削铸铁合金、硬质钢和高温镍基合金，特别适合于车削和铣削的粗精加工。

附图说明

图 1本发明所制备的: (a)圆柱形 RNG45T0220;(b)四方形 SNG45T0220和 (c)三角形 TNG45T0220陶瓷刀具结构示意图图 2 单层 A1₂0₃涂层氮化硅刀片示意图

图 3 包括底层氮化硅涂层、中层 A1₂0₃涂层和外层 TiN涂层的涂层氮化硅刀片示意图

图 4 含有至少四层的多层或纳米复合涂层氮化硅刀片示意图，涂层由交替沉积的薄层氮化物涂层和 A1₂0₃涂层组成，最外层为 TiN涂层。

发明详细说明

本发明的基体材料为氮化硅基陶瓷，主要成分是 Si₃N₄，含有增韧剂和烧结助剂。增韧剂可以是 TiN、 TiC、 MoSi₂、 SiC、 TiCN、 TiB₂等中的一种或几种，烧结助剂可以是 Si0₂、 A1₂0₃、 MgO、 Y₂0₃、 Zr0₂和 La₂0₃等中的一种或几种。烧结助剂的含量一般为 l-25wt%，最佳含量 l-5wt%。通过添加增韧剂和烧结助剂，可以在很大程度上改善基体材料的强度、断裂韧性和抗磨损性能。另外，通过添加导电相可以使复合陶瓷导电，从而可以采用传统的 PVD技术在其表面制备硬质涂层。

包覆的硬质涂层

本发明制备的涂层包括单层或多层结构，且每种涂层至少包含一层 A1₂0₃涂层。 A1₂0₃涂层的主要组成元素是 A1和 0，根据沉积温度不同，其可能是非晶、 α-， γ-或 κ-Α1₂0₃相纳米晶或非晶和纳米晶的混合物。其他涂层为耐高温的硬质氮化物涂层 (如果存在：)，可以是二元氮化物（TiN、 CrN等）、三元氮化物（TiCN、 TiAIN等）或多元氮化物（TiSiN、 TiAlSiN和 TiAlCrYN 等）涂层，也可以是它们的多层或纳米复合涂层。本发明制备的涂层总厚度一般为 1-20μηι，最佳厚度为 2-10μηι。这主要是因为，当涂层厚度低于 Ιμηι 时，其耐磨性较差，在切削加工过程中很快被磨损，不能起到有效改善刀具切削性能和寿命的作用；而当涂层厚度超过 20μηι时，涂层与基体的结合力差，过高的压应力导致涂层开裂和剥落，缩短刀具使用寿命。涂层的厚度是通过调节沉积时间来控制的。

本发明采用的刀具涂层制备技术为 PVD技术。涂层沉积之前，采用高频双向脉冲偏压或离子源等离子刻蚀机对基体表面进行离子清洗和刻蚀 2-60min，最佳刻蚀时间为 5-30min。经表面处理后的基体光滑平整，再经过干 /湿喷砂和清洗，放入 PVD涂层设备的真空室内。

本发明采用双向脉冲 DMS技术反应溅射 A1靶或双磁控溅射导电 A1₂0₃ 陶瓷靶制备 A1₂0₃涂层。双向脉冲 DMS技术中，将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯 A1靶，通过 A1靶与气氛中的 0₂反应生成 A1₂0₃涂层，基体温度为 300-700°C，气体压强为 0.1-2Pa; 双磁控溅射导电 A1₂0₃陶瓷靶材技术中，在阴极靶两端施加对称双向脉冲可转换电极的电源。阴极靶是进行了导电掺杂的入1₂0₃陶瓷靶。导电添加剂有金属如 Al、 Ti、 Cr、 Nb、 Pt等和导电陶瓷如 SiC, TiC, TiN, TiCN, TiB₂等，在陶瓷靶中的含量为 0.1-20wt%。沉积过程中， Ar或 Ar+0₂混合气体的压力为 0.1-2Pa，基体温度为 300-700°C。施加于阴极靶的带有正负偏压的双向脉冲电源，其正负偏压范围分别为 20-50V和 20-300V。根据沉积温度不同，沉积得到非晶或纳米晶型 A1₂0₃涂层。一般在 300-500 °C基体温度制备的涂层以非晶态为主，在 500-700 °C基体温度制备的涂层以纳米结晶态为主。 A1₂0₃涂层的厚度主要通过控制沉积时间调整。

氮化物涂层是在 N₂或Al·+N₂的混合气氛中反应溅射一个或多个金属或合金靶材制备得到，沉积过程中气体压力为 0.1-2Pa，基体温度为 300-700°C。上述所有情况都是采用一种带有正负极交替变化的非对称双向脉冲电源提高偏压，其中负极变化比例为 2-20%。在等离子刻蚀过程中，负极偏压和占空比范围分别为 300-1200V和 5-60%; 沉积过程中，负极偏压和占空比分别为 20-300 V和 10-70%。

本专利中沉积的三种类型涂层

(1) 厚度为 1-10μηι的八1₂0₃单涂层。高速切削过程中， Α1₂0₃涂层主要起到热和化学隔障层作用，使刀具在切削加工过程中保持刀刃强度的稳定性。

(2) 多层涂层，包含至少两种涂层材料，即一层硬质氮化物和一层 Α1₂0₃ 涂层。在这种涂层架构中， Α1₂0₃涂层主要起到热和化学隔障层作用，其下硬质氮化物与基体相邻，保障涂层在 600-1200°C下的高硬度、良好的强度和涂层基体结合力，同时作为基体和 A1₂0₃涂层之间的过渡层，起到调整涂层内应力分布和改善抗疲劳性能的作用。

(3) 多层或纳米多层涂层，由硬质氮化物层和 A1₂0₃层交替沉积而成。硬质氮化物和 A1₂0₃层的厚度范围分别为 5-20纳米到几个微米，交替沉积层数达到 4-1000层。在高速切削加工过程中， A1₂0₃涂层主要起到热和化学隔障层作用，使刀具在加工时保持刀刃强度的稳定性。通常在涂层表层涂覆一层金黄色 TiN涂层，便于用肉眼辨别加工过程中涂层刀具情况。硬质氮化物涂层、 A1₂0₃涂层和 TiN涂层的厚度分别为 1-10μηι， 1-10μηι和 1-2μηι。 Α1₂0₃ 涂层和硬质氮化物涂层的厚度由沉积时间长短控制调节。

理论实例

[理论实例一]

以 Si₃N₄基陶瓷刀片（添加 5wt%的 TiN和 5wt%Y₂0₃)作为涂层基体。在将基体放入真空室进行涂层沉积之前，对基体进行打磨、抛光和超声清洗使其表面达到光整的镜面效果。超声波清洗剂为丙酮和甲醇，清洗后在N₂ 气氛中干燥。系统真空度为 5xl0_³Pa，基体温度 450°C。随后，采用高频双向脉冲偏压在压强为 3Pa的 Ar气氛中对刀片表面进行等离子刻蚀清洗，持续时间为 30min。在对刀片表面进行等离子刻蚀清洗刻蚀过程中，负偏压和占空比分别为 800 V和 30%。

用双向脉冲 DMS技术在氮化硅刀片基体表面通过反应沉积制备厚度为 3μηι的 1₂0₃单涂层。双向脉冲 DMS技术中，将对称双向脉冲电源施加于阴极靶两端，阴极靶的材料为纯 A1靶，在 Ar与 0₂的混合气氛中通过 A1靶与气氛中的 0₂反应生成 A1₂0₃涂层。涂层沉积过程中基体温度为 450°C，气体压强为 0.5 Pa; 正偏压和负偏压分别保持在 30V和 200V。频率为 80Hz，占空比为 40%。

[理论实例二]

根据理论实例一的做法，在添加剂含量为 10wt%TiN和 5 wt% Y₂0₃的 Si₃N₄基陶瓷刀具表面制备单层 Α1₂0₃涂层。

[理论实例三]

根据理论实例一的做法，在添加剂含量为 15wt%TiN和 5 wt% Y₂0₃的 Si₃N₄基陶瓷刀具表面制备单层 Α1₂0₃涂层。

[理论实例四]

根据理论实例一的做法，在添加剂含量为 5wt%TiCN和 5wt% 丫₂0₃的 Si₃N₄基陶瓷刀具表面制备单层 A1₂0₃涂层。

[理论实例五] 采用双极脉冲磁控溅射导电 A1₂0₃靶的方法，在 Si₃N₄基陶瓷刀具表面沉积厚度为 3μηι的 A1₂0₃涂层。导电 A1₂0₃靶材是通过在 A1₂0₃粉体中添加 5wt% 纯金属 Cr粉烧结而成。涂层前处理同理论实例一。涂层制备过程中，混合气氛为 70%Ar和 30%O₂，沉积温度为 450°C，压力为 0.5Pa。

[理论实例六]

通过磁控溅射导电 A1₂0₃靶材（含 5wt%纯金属 Cr) ，在添加剂含量为 10wt%TiN和 5wt%Y₂0₃的 Si₃N₄基陶瓷刀具表面沉积厚度为 3μηι的八1₂0₃涂层，沉积条件同理论实例五。

[理论实例七]

通过磁控溅射导电 Α1₂0₃靶材（含 5wt%纯金属 Cr) ，在添加剂含量为 15wt%TiN和 5wt%Y₂0₃的 Si₃N₄基陶瓷刀具表面沉积厚度为 3 μηι的 1₂0₃涂层，沉积条件同理论实例五。

[理论实例八]

通过磁控溅射导电 Α1₂0₃靶材（含 5wt%纯金属 Cr) ，在添加剂含量为 5wt%TiCN和 5wt%Y₂0₃的 Si₃N₄基陶瓷刀具表面沉积厚度为 3μηι厚的 Α1₂0₃ 涂层，沉积条件同理论实例五。

[理论实例九]

通过磁控溅射导电 Α1₂0₃靶材（含 3wt%纯金属 Cr) ，在添加剂含量为 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃的 Si₃N₄基陶瓷刀具表面沉积厚度为 3μηι的 A1₂0₃涂层，沉积条件同理论实例五。

[理论实例十]

通过磁控溅射导电 A1₂0₃靶材（含 lwt%纯金属 Cr) ，在添加剂含量为 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃的 Si₃N₄基陶瓷刀具表面沉积厚度为 3μηι的 A1₂0₃涂层，沉积条件同理论实例五。

[理论实例十一]

通过磁控溅射导电 A1₂0₃靶材（含 5wt%纯金属 Pt) ，在添加剂含量为 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃的 Si₃N₄基陶瓷刀具表面沉积厚度为 3μηι Α1₂0₃涂层，沉积条件同理论实例五。

[理论实例十二]

通过磁控溅射导电 Α1₂0₃靶材（含 5wt%的 SiC) ，在 Si₃N₄基陶瓷刀具添加剂含量 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃)表面沉积厚度为 3μηι的 A1₂0₃涂层，沉积条件同例五。

[理论实例十三]

在 Si₃N₄基陶瓷刀片上采用 PVD技术制备如下结构的复合涂层： 3.0μηιΉΝ+3.0μηιΑ1₂Ο₃+1.0μηιΉΝ的涂层。其中， TiN涂层是通过在 Ν₂压力为 lPa的气氛中反应溅射 Ti靶获得的，沉积过程中基体温度为 400°C。负极偏压由非对称双向脉冲电源提供，该电源可以产生 20V的正偏压。

[理论实例十四]

在 Si₃N₄基陶瓷刀片上采用 PVD技术制备如下结构的复合涂层： 3.0μηιΉΝ+3.0μηιΑ1₂Ο₃+1.0μηιΉΝ的涂层。其中 Si₃N₄基陶瓷刀片含有 5wt% TiN和 5wt% Y₂0 TiN涂层的沉积方法同例十三， A1₂0₃涂层的沉积方法同理论实例五。

[理论实例十五] 在 Si₃N₄基陶瓷刀片上采用 PVD技术制备如下结构的复合涂层： 3.0μηιΤΐΑΝ+3.0μηιΑ1₂Ο₃+1.0μηιΤΐΝ的涂层。其中 Si₃N₄基陶瓷基体中含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃。 A1₂0₃涂层的沉积同例一。 TiAIN涂层的沉积是通过在 lPa压力的N₂气氛中反应溅射 TiAl靶获得，沉积过程中基体温度为 400°C。负极偏压由非对称双向脉冲电源提供，该电源可以产生 20V的正电压。沉积过程中，负偏压为 200V, 占空比为 30%。表层 TiN涂层沉积同例十三。

[理论实例十六]

在 Si₃N₄基陶瓷刀片上采用 PVD技术制备如下结构的复合涂层： 3.0μηιΤΐΑ1Ν+3.0μηιΑ1₂Ο₃+1.0μηιΤΐΝ的涂层。其中 Si₃N₄基陶瓷基体含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃。 A1₂0₃涂层的沉积同例五。 TiAIN和 TiN涂层沉积分别同理论实例十一和十三。

[理论实例十七]

在 Si₃N₄基陶瓷刀片上采用 PVD技术制备如下结构的复合涂层： 2.0μηιΤΐΑ1Ν+3.0μηιΑ1₂Ο₃+1.0μηιΤΐΝ的涂层。其中 Si₃N₄基陶瓷基体含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃。 A1₂0₃涂层沉积同例五。 TiAIN和 TiN涂层的沉积分别同理论实例 ^一和十三。

[理论实例十八]

在 Si₃N₄基陶瓷刀片上采用 PVD技术制备如下结构的复合涂层： 2.0μηιΤΐΑ1Ν+4.0μηιΑ1₂Ο₃+1.0μηιΤΐΝ的涂层。其中 Si₃N₄基陶瓷刀片含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃。 A1₂0₃涂层沉积同理论实例五。 TiAIN和 TiN涂层沉积同理论实例十一和十三。

[理论实例十九] 采用 PVD技术在 Si₃N₄基陶瓷刀片制备由 20层 TiAIN和 A1₂0₃薄膜交替沉积组成的多层复合涂层，单涂层厚度为 Ι.Ομηι, Si₃N₄基陶瓷刀片基体含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃。 TiAIN和 A1₂0₃薄膜分别采用理论实例十五和理论实例一的方法沉积。最后，再在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι的 TiN涂层，沉积方法同理论实例十三。

[理论实例二十]

采用 PVD技术在 Si₃N₄基陶瓷刀片表面上制备由 20层 TiAIN和 A1₂0₃薄膜交替而成的多层复合涂层，单层厚度为 Ι.Ομηι , 基体中含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃。 TiAIN和 A1₂0₃薄膜分别采用例十五和例五的方法沉积。最后，再在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι的 TiN涂层，沉积方法同理论实例十

[理论实例二十一]

采用 PVD技术在 Si₃N₄基陶瓷刀片表面上制备由 20层 TiAIN和 A1₂0₃薄膜交替而成的多层复合涂层，单层厚度为 0.5μηι，基体中含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃。 TiAIN和 A1₂0₃薄膜的制备分别同理论实例十五和理论实例一。

TiAIN和 A1₂0₃薄膜分别采用理论实例十五和理论实例五的方法沉积。最后，再在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι的 TiN涂层，沉积方法同理论实例十

[理论实例二十二]

采用 PVD技术在 Si₃N₄基陶瓷刀片表面上制备由 20层 TiAIN和 A1₂0₃薄膜交替而成的多层复合涂层，单层厚度为 0.3μηι，基体中含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃。 TiAIN和 A1₂0₃薄膜分别使用理论实例十五和理论实例一的方法沉积。最后，再在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι的 TiN涂层，沉积方法同理论实例十三。

[理论实例二十三]

采用 PVD技术在 Si₃N₄基陶瓷刀片表面上制备由 20层 TiAIN和 A1₂0₃薄膜交替而成的多层复合涂层，单层厚度为 10nm，基体中含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0₃。 TiAIN和 A1₂0₃涂层的制备分别同理论实例十五和理论实例一。最后，在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι的 TiN涂层，沉积方法同理论实例十三。

[理论实例二十四]

采用 PVD技术在 Si₃N₄基陶瓷刀片表面上制备由 100层 TiAIN和 1₂0₃薄膜交替而成的多层复合涂层，每层厚度为 10nm，刀片基体含有 30wt%的 TiN。薄膜交替沉积同理论实例二十一。最后，在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι 的 TiN涂层，沉积方法同例 13。

[理论实例二十五]

采用 PVD技术在 Si₃N₄基陶瓷刀片表面上制备由 50层 TiAIN和 A1₂0₃薄膜交替而成的多层复合涂层，每层厚度为 20nm，刀片基体含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0_{3 o} 薄膜交替沉积同理论实例十七。最后，在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι的 TiN涂层，沉积方法同理论实例十三。

[理论实例二十六]

采用 PVD技术在 Si₃N₄基陶瓷刀片表面上制备由 50层 TiAIN和 A1₂0₃薄膜交替而成的多层复合涂层，每层厚度为 10nm，刀片基体含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0_{3 o} 薄膜交替沉积同理论实例二十一。最后，在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι的 TiN涂层，沉积方法同理论实例十三。

[理论实例二十七]

采用 PVD技术在 Si₃N₄基陶瓷刀片表面上制备由 50层 TiAIN和 A1₂0₃薄膜交替而成的多层复合涂层，每层厚度为 15nm，刀片基体含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0_{3 o} 薄膜交替沉积同理论实例十七。最后，在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι的 TiN涂层，沉积方法同理论实例十三。

[理论实例二十八]

采用 PVD技术在 Si₃N₄基陶瓷刀片表面上制备由 50层 TiAIN和 A1₂0₃薄膜交替而成的多层复合涂层，每层厚度为 25nm，刀片基体含 5wt%TiN和 5wt%Y₂0_{3 o} 薄膜交替沉积同理论实例二十一。最后，在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι的 TiN涂层，沉积方法同理论实例十三。

[理论实例二十九]

采用 PVD技术在 Si₃N₄基陶瓷刀片表面上制备由 50层 TiAIN和 A1₂0₃薄膜交替而成的多层复合涂层，每层厚度为 15nm，刀片基体含有 30wt%的 TiN。薄膜交替沉积同理论实例二十一。最后，在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι 的 TiN涂层，沉积方法同理论实例十三。

[理论实例三十]

在 Si₃N₄基陶瓷刀片上使用 PVD技术沉积一种纳米多层涂层，由 50层 TiAIN和 A1₂0₃薄膜交替沉积组成，每层厚度为 15nm，刀片基体添加有 30wt% 的 TiN。 TiAIN和 A1₂0₃涂层的交替沉积同理论实例十七。最后，在涂层表面沉积一层厚度为 1.0 μηι的 TiN涂层，沉积方法同理论实例十三。

Claims

权利要求书

1. 一种氧化铝 (A1₂0₃)涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片制备技术，其特征在于包含：

氮化硅基陶瓷刀具 /刀片基体；

与基体结合良好的涂层；

其中涂层中至少含有一层 A1₂0₃或含 A1₂0₃的涂层。
2. 根据权利要求 1所述的氮化硅基陶瓷刀具 /刀片基体，其特征在于：含第一相 Si3N4、增韧剂和烧结助剂的氮化硅基复合陶瓷；
3. 根据权利要求 2 所述的增韧剂，其特征在于：该增韧剂为 TiN、 TiC、 MoSi2、 SiC、 TiCN、 TiB2和 MoSi2中的一种或几种；
4. 根据权利要求 2所述增韧剂，其特征在于使得绝缘的 Si3N4具有导电性：该导电增韧添加剂含量为 0.1 wt %-5wt%。
5. 根据权利要求 2所述烧结助剂，其特征在于：该烧结助剂为 Si02、 A1203、 MgO、 Y203、 Zr02和 ReO (稀土氧化物，比如 La203)中的一种或几种。
6. 根据权利要求 2所述烧结助剂，其特征在于：该烧结助剂的含量为 0.1 wt %-25wt%; 最佳含量为 1 wt -5wt%。
7. 根据权利要求 1所述氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：氮化硅基复合陶瓷的密度大于理论密度的 98%, 采用包括但不限于无氧气氛下的无压烧结、热压烧结、气氛烧结或热等静压烧结等传统方法制备。
8. 根据权利要求 1所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：该涂层从基体 /涂层界面到涂层外表面依次为硬质氮化物涂层、 A1203涂层和表层 TiN涂层。
9. 根据权利要求 1所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：内层硬质氮化物涂层的厚度为 1-20μιη; 最佳厚度为 1-10μιη。
10. 根据权利要求 1所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：该涂层中至少含有一层化学计量比的非晶、纳米晶或者非晶和纳米晶混合的

Α1₂0₃涂层。
11. 根据权利要求 1 所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于，在基体放入真空室进行涂层制备前，先对其进行光整、抛光、干或湿喷砂和清洗处理。
12. 根据权利要求 1所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：在涂层沉积之前，使用高频双向脉冲偏压设备进行等离子清洗和刻蚀对刀片表面进行处理，处理时间一般为 2-60min，最佳处理时间为 5-30min; 表面处理过程在 Ar或 Ar+02混合气氛中进行，气体压力为 0.1-10Pa。
13. 根据权利要求 1所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：涂层沉积过程中真空室的本底真空为 10—4-10—2Pa。
14. 根据权利要求 1所述的涂层氮化硅陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：该涂层中的 A1203涂层是采用双向脉冲 DMS反应溅射技术或溅射 A1203陶瓷靶材技术制备，其中 A1203陶瓷靶材含有导电添加剂。
15. 根据权利要求 1和 14所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于: 该 A1203涂层是采用双向脉冲 DMS技术在 Ar或是 Ar+O^ 合气氛下反应溅射 A1 靶沉积而成，沉积过程中基体温度为 300-700° C, 气体压强为 0.1-2Pa。
16. 根据权利要求 1和 14所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：该 A1203涂层是采用 DMS技术在 Ar或是 Ar+02混合气氛下溅射含有导电添加剂的 A1203陶瓷靶沉积而成，沉积过程中基体温度为 300-700° C, 气体压强为 0.1-2Pa。
17. 根据权利要求 16所述的导电 A1203陶瓷靶，其特征在于：该导电 A1203 陶瓷靶由 A1203和含量为 0.3-20wt%的导电金属如 Al、 Ti、 Cr、 Nb和 Pt或导电陶瓷如 SiC组成。
18. 根据权利要求 1和 14所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：该涂层中包含的硬质氮化物涂层是指二元氮化物（TiN、 CrN等）、三元氮化物（TiCN、 TiAlN等）或多元氮化物（CrTiSiN、 TiAlSiN和 TiAlCrYN 等）或它们的多层或纳米层涂层。
19. 根据权利要求 1和 14所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：该涂层中硬质氮化物涂层、 A1203涂层和表层的 TiN 层的厚度分别为 1-10μιη、 1-10μιη禾卩 1-2μιη。
20. 根据权利要求 1所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：该涂层中包含多层交替沉积的硬质氮化物涂层和 Α1203涂层及其表面 ΉΝ涂层；
21. 根据权利要求 20所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：该涂层中硬质氮化物涂层和 Α1203涂层的总厚度可以从 5-20纳米到几个微米; 表层的 TiN层的厚度为 1-2μιη。
22. 根据权利要求 1所述的涂层氮化硅陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：该涂层中的硬质氮化物涂层是通过在 Ν2或是 Ar+N2混合气氛中反应溅射一个或多个金属或合金靶材沉积而成，沉积过程中基体温度为 300-700° C, 沉积压力为 0.1-2Pa。
23. 根据权利要求 21所述的涂层氮化硅基陶瓷刀具 /刀片，其特征在于：该涂层含有 4-1000层厚度从 5-20纳米到几个微米的交替沉积的硬质氮化物层和 A1203层。