CN106567074A - 一种AlTiSiN‑AlCrSiN纳米晶‑非晶多层复合涂层制备方法 - Google Patents

一种AlTiSiN‑AlCrSiN纳米晶‑非晶多层复合涂层制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种AlTiSiN‑AlCrSiN纳米晶‑非晶多层复合涂层制备方法。该方法采用弧光离子源对经过化学清洗的基体进行刻蚀清洗，然后采用物理气相沉积技术沉积得到结合层、过渡层、硬化层、支撑层以及耐高温强韧耐磨层，所述多层复合超硬强韧涂层的涂层总厚度为2‑13.5微米，其中结合层厚度为5‑200纳米，过渡层厚度为10‑300纳米，硬化层厚度为200‑1500纳米，支撑层厚度为200‑1500纳米，耐高温强韧耐磨层厚度为0.2‑10微米。由于该方法中给出了涂层配方按原子百分比计配比情况，从而有效地提高了各个涂层的耐磨性、耐高温性能、韧性、硬度，改善了涂层与基体的结合强度，延长了涂层的使用寿命。

Description

一种AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合涂层制备方法
技术领域
本发明涉及涂层材料技术领域，尤其涉及一种AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合涂层制备方法。
背景技术
现有的中国专利数据库中公开了一种AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合超硬强韧涂层材料及制备方法，其专利申请号为：201410483296.7，申请日为：2014.09.22，公告号为：CN 104213075 A，公布日为：2014.12.17，该产品包括有结合层、过渡层、支撑层以及高温强韧耐磨层，其制备方法是：采用弧光离子源对经过化学清洗的基体进行刻蚀清洗，然后采用电弧离子镀方法依次沉积结合层、过渡层、硬化层、支撑层以及超强韧耐高温耐磨层。其不足之处在于：由于该方法中并没有给出涂层配方按原子百分比计配比情况，从而影响各个涂层的耐磨性、耐高温性能、韧性、硬度，涂层与基体的结合强度，使用寿命。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种操作更加合理、涂层配方更加科学的AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合涂层制备方法。
为了实现上述发明的目的，本发明所采取的技术方案：
一种AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合涂层制备方法，采用弧光离子源对经过化学清洗的基体进行刻蚀清洗，然后采用物理气相沉积技术沉积得到结合层、过渡层、硬化层、支撑层以及耐高温强韧耐磨层，所述多层复合超硬强韧涂层的涂层总厚度为2-13.5微米，其中结合层厚度为5-200纳米，过渡层厚度为10-300纳米，硬化层厚度为200-1500纳米，支撑层厚度为200-1500纳米，耐高温强韧耐磨层厚度为0.2-10微米，其涂层配方按原子百分比计配比如下：结合层：铬100at.％；过渡层：铬45～55at.％，氮45～55at.％；硬化层和支撑层：铝61～68at.％，钛10～15at.％，硅5～10at.％，氮6～14at.％；耐高温强韧耐磨层：铝50～71at.％，铬10～15at.％，钛10～15at.％，氮5～15at.％，硅2～5at.％，步骤如下：步骤一：将经预处理后的未涂层基体均匀固定在支架上，间距大于等于10mm，装入镀膜机中，调节工件支架转速为5～10rpm，抽至本底真空2.5～3.0×10-3Pa，同时打开加热器，升温至100～500℃；打开氩气流量阀，调节真空室为0.05～0.2Pa，基体加负偏电压600～1000V，进行辉光溅射清洗10～20min；然后降低基体负偏电压至60～200V，开启纯Cr靶，调节靶材电流为50～200A，以Cr离子高能轰击基体3～10min沉积5-200纳米厚的过渡金属Cr结合层；步骤二：打开N2气流量阀，镀膜压力0.1～3.5Pa，温度300～500℃条件下，沉积10-300纳米厚的CrN过渡层5～15min；步骤三：打开N2气流量阀，调节真空室为0.5～8Pa，基体加负偏电压50～300V，开启纯Cr靶、Al靶、Si靶，调节靶材电流为50～200A，以Cr、Al、Si、N离子高能轰击基体3～10min沉积200-1500纳米厚的AlCrSiN/CrN硬化层；步骤四：打开N2气流量阀，调节真空室为0.5～8Pa，基体加负偏电压50～300V，开启纯Ti靶、Al靶、Si靶，调节靶材电流为50～200A，以Ti、Al、Si、N离子高能轰击基体3～10min沉积200-1500纳米厚的AlTiSiN/CrN支撑层；步骤五：打开N2气流量阀，调节真空室为0.5～10Pa，基体加负偏电压20～300V，开启纯Ti靶、Al靶、Si靶、Cr靶，调节靶材电流为50～200A，以Ti、Al、Si、N、Cr离子高能轰击基体50～100min沉积0.2-10微米厚的AlTiSiN-AlCrSiN耐高温强韧耐磨层，涂层总厚度在控制在2-13.5微米，制备结束后自然冷却，得到AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合层。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：由于该方法中给出了涂层配方按原子百分比计配比情况，从而有效地提高了各个涂层的耐磨性、耐高温性能、韧性、硬度，改善了涂层与基体的结合强度，延长了涂层的使用寿命。
由于涂层的硬度、与基体的结合强度、耐磨性、耐高温性能随着Al含量的增加，先上升后下降，同时当涂层中的铝含量为66at.％时，涂层的各性能最优，所述硬化层、支撑层和耐高温强韧耐磨层中铝含量为66at.％。
进一步地，所述基体为高速钢或硬质合金刀具或模具。
附图说明
图1为本发明涂层结构示意图。
其中，1结合层，2过渡层，3硬化层，4支撑层，5耐高温强韧耐磨层。
具体实施方式
如图1所示，为一种AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合涂层制备方法，采用弧光离子源对经过化学清洗的基体进行刻蚀清洗，然后采用物理气相沉积技术沉积得到结合层1、过渡层2、硬化层3、支撑层4以及耐高温强韧耐磨层5，多层复合超硬强韧涂层的涂层总厚度为2-13.5微米，其中结合层1厚度为5-200纳米，过渡层2厚度为10-300纳米，硬化层3厚度为200-1500纳米，支撑层4厚度为200-1500纳米，耐高温强韧耐磨层5厚度为0.2-10微米，其涂层配方按原子百分比计配比如下：结合层1：铬100at.％；过渡层2：铬45～55at.％，氮45～55at.％；硬化层3和支撑层4：铝61～68at.％，钛10～15at.％，硅5～10at.％，氮6～14at.％；耐高温强韧耐磨层5：铝50～71at.％，铬10～15at.％，钛10～15at.％，氮5～15at.％，硅2～5at.％，步骤如下：步骤一：将经预处理后的未涂层基体均匀固定在支架上，间距大于等于10mm，装入镀膜机中，调节工件支架转速为5～10rpm，抽至本底真空2.5～3.0×10-3Pa，同时打开加热器，升温至100～500℃；打开氩气流量阀，调节真空室为0.05～0.2Pa，基体加负偏电压600～1000V，进行辉光溅射清洗10～20min；然后降低基体负偏电压至60～200V，开启纯Cr靶，调节靶材电流为50～200A，以Cr离子高能轰击基体3～10min沉积5-200纳米厚的过渡金属Cr结合层1；步骤二：打开N2气流量阀，镀膜压力0.1～3.5Pa，温度300～500℃条件下，沉积10-300纳米厚的CrN过渡层2用时5～15min；步骤三：打开N2气流量阀，调节真空室为0.5～8Pa，基体加负偏电压50～300V，开启纯Cr靶、Al靶、Si靶，调节靶材电流为50～200A，以Cr、Al、Si、N离子高能轰击基体3～10min沉积200-1500纳米厚的AlCrSiN/CrN硬化层3；步骤四：打开N2气流量阀，调节真空室为0.5～8Pa，基体加负偏电压50～300V，开启纯Ti靶、Al靶、Si靶，调节靶材电流为50～200A，以Ti、Al、Si、N离子高能轰击基体3～10min沉积200-1500纳米厚的AlTiSiN/CrN支撑层4；步骤五：打开N2气流量阀，调节真空室为0.5～10Pa，基体加负偏电压20～300V，开启纯Ti靶、Al靶、Si靶、Cr靶，调节靶材电流为50～200A，以Ti、Al、Si、N、Cr离子高能轰击基体50～100min沉积0.2-10微米厚的AlTiSiN-AlCrSiN耐高温强韧耐磨层5，涂层总厚度在控制在2-13.5微米，制备结束后自然冷却，得到AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合层，由于涂层的硬度、与基体的结合强度、耐磨性、耐高温性能随着Al含量的增加，先上升后下降，同时当涂层中的铝含量为66at.％时，涂层的各性能最优，硬化层3、支撑层4和耐高温强韧耐磨层5中铝含量为66at.％，进一步地，基体为高速钢或硬质合金刀具或模具。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合涂层制备方法，其特征在于：采用弧光离子源对经过化学清洗的基体进行刻蚀清洗，然后采用物理气相沉积技术沉积得到结合层、过渡层、硬化层、支撑层以及耐高温强韧耐磨层，所述多层复合超硬强韧涂层的涂层总厚度为2-13.5微米，其中结合层厚度为5-200纳米，过渡层厚度为10-300纳米，硬化层厚度为200-1500纳米，支撑层厚度为200-1500纳米，耐高温强韧耐磨层厚度为0.2-10微米，
其涂层配方按原子百分比计配比如下，结合层：铬100at.％；过渡层：铬45～55at.％，氮45～55at.％；硬化层和支撑层：铝61～68at.％，钛10～15at.％，硅5～10at.％，氮6～14at.％；耐高温强韧耐磨层：铝50～71at.％，铬10～15at.％，钛10～15at.％，氮5～15at.％，硅2～5at.％，步骤如下：
步骤一：将经预处理后的未涂层基体均匀固定在支架上，间距大于等于10mm，装入镀膜机中，调节工件支架转速为5～10rpm，抽至本底真空2.5～3.0×10-3Pa，同时打开加热器，升温至100～500℃；打开氩气流量阀，调节真空室为0.05～0.2Pa，基体加负偏电压600～1000V，进行辉光溅射清洗10～20min；然后降低基体负偏电压至60～200V，开启纯Cr靶，调节靶材电流为50～200A，以Cr离子高能轰击基体3～10min沉积5-200纳米厚的过渡金属Cr结合层；
步骤二：打开N2气流量阀，镀膜压力0.1～3.5Pa，温度300～500℃条件下，沉积10-300纳米厚的CrN过渡层5～15min；
步骤三：打开N2气流量阀，调节真空室为0.5～8Pa，基体加负偏电压50～300V，开启纯Cr靶、Al靶、Si靶，调节靶材电流为50～200A，以Cr、Al、Si、N离子高能轰击基体3～10min沉积200-1500纳米厚的AlCrSiN/CrN硬化层；
步骤四：打开N2气流量阀，调节真空室为0.5～8Pa，基体加负偏电压50～300V，开启纯Ti靶、Al靶、Si靶，调节靶材电流为50～200A，以Ti、Al、Si、N离子高能轰击基体3～10min沉积200-1500纳米厚的AlTiSiN/CrN支撑层；
步骤五：打开N2气流量阀，调节真空室为0.5～10Pa，基体加负偏电压20～300V，开启纯Ti靶、Al靶、Si靶、Cr靶，调节靶材电流为50～200A，以Ti、Al、Si、N、Cr离子高能轰击基体50～100min沉积0.2-10微米厚的AlTiSiN-AlCrSiN耐高温强韧耐磨层，涂层总厚度在控制在2-13.5微米，制备结束后自然冷却，得到AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合层。
2.根据权利要求1所述的一种AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合涂层制备方法，其特征在于：所述硬化层、支撑层和耐高温强韧耐磨层中铝含量为66at.％。
3.根据权利要求1所述的一种AlTiSiN-AlCrSiN纳米晶-非晶多层复合涂层制备方法，其特征在于：所述基体为高速钢或硬质合金刀具或模具。
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