CN107130222A

CN107130222A - 高功率脉冲磁控溅射CrAlSiN纳米复合涂层及其制备方法

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Publication number: CN107130222A
Application number: CN201710518517.3A
Authority: CN
Inventors: 范其香; 王铁钢; 吴正环; 王政权; 刘艳梅; 张涛
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2017-09-05
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: CN107130222B

Abstract

本发明涉及一种纳米复合涂层及其制备技术，具体地说是一种CrAlSiN纳米复合涂层的制备工艺。采用高功率脉冲与直流脉冲共溅射技术在金属或硬质合金基体上制备CrAlSiN纳米复合涂层。选用纯金属Cr、Al和Si（纯度均为99.99 wt.%）作为靶材，其中，高功率脉冲选用Cr靶，直流脉冲溅射选用Al靶和Si靶。镀膜前先通入Ar气，采用‑800 V偏压，对基片进行辉光清洗10~30 min。随后开启三个靶材，对基体和靶材表面进行轰击清洗，并逐渐降低偏压至‑30~100V。关闭Al靶和Si靶，沉积纯Cr过渡层10~40min。通入反应气体N₂，并开启Al靶和Si靶，沉积CrAlSiN涂层120~360 min。本发明涉及的CrAlSiN纳米复合涂层综合性能好，制备工艺简单，成分可控，重复性好，容易工业化生产。

Description

高功率脉冲磁控溅射CrAlSiN纳米复合涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及涂层制备技术，具体地说是一种采用新型高功率脉冲和直流脉冲共溅射技术制备出具有高硬度和高强度的CrAlSiN纳米复合涂层的制备工艺。

背景技术

刀具材料主要有高速钢、硬质合金和陶瓷刀具。高速钢具有较好的韧性，但其硬度低，加工高温合金时极易崩刃、寿命短暂，效率低。硬质合金具有较好的硬度、塑性、韧性、耐磨性等，是切削高温合金最为常用的材料。但在高温下工件中元素容易扩散到刀具材料粘结剂Co相中，削弱硬质相与粘接剂的结合强度，发生粘接磨损和扩散磨损。陶瓷刀具红硬性好于高速钢和硬质合金，但其韧性差、热导率低、易产生裂纹等问题，限制了其应用发展。采用涂层技术可使刀具获得优良的综合机械性能，有效提高切削刀具使用寿命、切削效率和加工表面质量，从而大幅度提高机械加工效率。研究表明：涂层刀具比未涂层刀具寿命提高2~5倍，切削速度提高20%~70%，加工精度提高0.5~1级，刀具消耗费用降低20%~50%。

在涂层发展初期，其成分主要为TiN、TiC等碳化物或氮化物。这类涂层在刀具上仍有较广泛的应用，但其断裂韧性低，且抗高温氧化性能较差，导致其无法满足一些先进加工技术要求。纳米复合涂层CrAlSiN具有超高硬度，好的韧性、耐磨性和耐高温性能，得到越来越多研究者的青睐。目前研究文献中报道的CrAlSiN纳米复合涂层大多采用传统的电弧离子镀或磁控溅射方法制备。高功率脉冲磁控溅射是最新发展起来并广受关注的一种物理气相沉积方法，它利用较高的脉冲峰值功率（约为传统磁控溅射的2~3个数量级）和较低的占空比（0.5%-10%)，获得高的金属离化率（>50%），在获得优异的膜基结合力、控制涂层微结构、降低涂层内应力、控制涂层相结构等方面具有显著的技术优势。高功率脉冲技术制备出的涂层结构比传统磁控溅射组织更加致密，晶粒更加细小，从而表现出优异的综合性能。为此，本发明采用新型高功率脉冲技术结合传统的直流脉冲技术制备一种具有高硬度、高强度的CrAlSiN涂层，进一步提高CrAlSiN纳米复合涂层的综合性能和使役寿命。

发明内容

本发明的目的在于采用新型的高功率脉冲和直流脉冲共溅射技术制备出一种具有高硬度、高强度的CrAlSiN纳米复合涂层，并获得稳定的制备工艺。

本发明的技术方案为：

采用高功率脉冲和直流脉冲共溅射技术在金属或硬质合金基体上沉积CrAlSiN纳米复合涂层。采用纯Cr金属、纯Al金属和纯Si金属作为靶材（纯度均为99.99 wt.%）。将高速钢或硬质合金基片先后采用酒精、丙酮、去离子水清洗后，氮气吹干，放在转架上，关闭炉门。采用机械泵和分子泵抽真空，待炉内真空优于1×10^-3 Pa时，打开加热系统将炉腔加热至100~450 ºC；开启Ar气流量阀，气流量为30~300 sccm，调整节流阀使真空室压强为0.1~1 Pa；基片加-800V负偏压，辉光清洗10~30 min；开启Cr靶、Al靶和Si靶，靶材功率为0.4~2 KW，对靶材进行轰击清洗5~30 min；降低偏压至-10~100 V，关闭Al靶和Si靶，沉积纯Cr金属过渡层20~40 min，以提高涂层与基体之间的结合力。同时通入N₂和Ar，其气流量为30~300 sccm，调整节流阀使真空室压强为0.1~0.8 Pa，控制N₂/Ar比在0.3~3之间；同时开启Al靶和Si靶，靶材功率均为0.4~2 KW，沉积CrAlSiN涂层；沉积时间为120~360 min。沉积过程中，根据涂层的厚度和成分要求严格控制炉腔内的沉积压强、各个靶的功率、沉积时间等工艺参数。

沉积参数：

将预处理后的基片放进镀膜室转架上，转架公转速度为5~45 r/min，靶基距约为60-100 mm；采用机械泵和分子泵抽真空使真空室气压达到1×10^-3 Pa以下，打开加热系统将炉腔加热至100~450 ºC；打开Ar气流量阀为30~300 sccm，调整真空室压强为0.1~1 Pa，基片加-800 V负偏压，进行辉光清洗10~30 min。开启Cr靶、Al靶和Si靶，靶材功率为0.4~2 KW，对靶材和基体进行轰击清洗；调整负偏压至-10~100 V，调整真空室压强为0.1~0.8 Pa，关闭Al靶和Si靶,沉积纯Cr金属层10~40 min；开启Al靶和Si靶，靶材功率为0.4~2 KW，同时通入N₂和Ar气，流量阀值均为30~300 sccm，调整节流阀使真空室压强为0.1~0.8 Pa，控制N₂/Ar比在0.3~3之间，沉积CrAlSiN涂层，时间为120~360 min。沉积时间的长短根据所需要的涂层厚度而定。

该CrAlSiN纳米复合涂层可应用于各种金属及硬质合金基体上；也可应用于陶瓷材料表面。

本发明的优点如下：

1. 本发明研制的CrAlSiN纳米复合涂层晶粒细小，结构致密，为单一的fcc-（Cr，Al）N相，Si元素以非晶相的形式存在于（Cr，Al）N相晶界处，阻止晶粒长大。

2. 本发明研制的CrAlSiN纳米复合涂层具有较高的硬度，通过调整工艺参数，可达40 GPa以上。

3. 本发明研制的CrAlSiN涂层具有很好的高温热稳定性能和耐蚀性能，可用于高速高精切削与干切削加工领域。

4. 本发明研制的CrAlSiN纳米复合涂层与基体具有良好的结合强度，制备工艺简单，重复性好，应用范围广，具有非常强的实用性。

附图说明

图1为采用高功率脉冲和直流脉冲共溅射技术制备的CrAlSiN纳米复合涂层的XRD衍射谱图；

图2为采用高功率脉冲和直流脉冲共溅射技术制备的CrAlSiN纳米复合涂层的表面形貌图；

图3为采用高功率脉冲和直流脉冲共溅射技术制备的CrAlSiN纳米复合涂层的截面形貌图。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

本实施例为采用高功率脉冲和直流脉冲共溅射技术在抛光处理后的高速钢片上制备CrAlSiN纳米复合涂层，高速钢试样尺寸为25×30×1 mm。基片先后在丙酮、酒精和蒸馏水中各超声清洗20 min，然后用高纯N₂吹干，再放置于高功率脉冲和直流脉冲共溅射镀膜仪中与靶材正对的试样架上，转架公转转速选为30 r/min，靶基距为80 mm。靶材分别选用纯金属Cr、Al和Si（纯度均为99.99 wt. %），工作气体和反应气体分别选用高纯Ar和N₂（纯度均为99.999%）。

先将真空室的本底真空抽至1.0×10^-3 Pa以上；打开加热系统，升温至300 ℃，待炉内真空度达到1.2×10^-3 Pa时，打开Ar气流量阀，通入Ar气100 sccm至镀膜腔室内压强达到1 Pa，加-800 V负偏压，辉光清洗20 min。开启Cr靶、Al靶和Si靶电源，功率分别为1KW、0.6 KW、0.6KW，对试样和靶材表面进行轰击清洗；随后降低偏压至-50 V，并调整炉内压强至0.5 Pa，关闭Al靶和Si靶电源，沉积金属Cr过渡层，Cr靶功率依然为1KW，沉积时间为30min；开启Al靶和Si靶电源，功率分别为0.6 KW和0.6KW，同时通入Ar和N₂气（纯度99.999%），流量分别为47 和94 sccm，保持氮氩流量比N₂/Ar为2，通过调节节流阀大小，使工作气压为0.5 Pa，沉积CrAlSiN纳米复合涂层，镀膜时间持续180 min；沉积结束后，关闭靶材电源和气体流量阀、加热器电源，待炉内温度低于80 ℃时取出涂层。

图1为本发明工艺下制备的CrAlSiN纳米复合涂层的XRD衍射谱图，可以看出CrAlSiN涂层由面心立方结构的（Cr，Al）N涂层组成，没有发现其他相，涂层中Si以非晶相SixNy形式存在于（Cr，Al）N相晶界处。

图2为本发明工艺下制备的CrAlSiN纳米复合涂层的表面形貌图，涂层晶粒细小，结构十分致密。

图3为本发明工艺下制备的CrAlSiN纳米复合涂层的的截面形貌图，涂层组织结构致密均匀，过渡层厚度约为170 nm。EDS测试涂层截面平均成分为43.42 at.% Cr 11.44at.% Al, 11.60 at.% Si和41.58 at.% N。涂层厚度约为1.4 μm，硬度约为33.3 GPa，弹性模量为425.81 GPa。

实施例2

本实施例为在经抛光处理的硬质合金基片YG8上沉积CrAlSiN纳米复合涂层，试样尺寸为19×19×2 mm。基片先后在丙酮、酒精和蒸馏水中各超声清洗20 min，然后用高纯N₂吹干，转架转速选为30 r/min，靶基距为80 mm。靶材分别选用纯金属Cr和Al（纯度均为wt.99.9%），工作气体和反应气体分别选用Ar和N₂（纯度均为99.999%）。本实施例中沉积CrAlSiN纳米复合涂层过程中，Cr靶、Al靶和Si靶电源，功率分别为1KW、1.0 KW、0.6KW，其他工艺参数与实施例1相同。

本发明工艺下制备的CrAlSiN涂层相组成和组织结构与实施案例1中涂层相同，同样由面心立方结构的（Cr，Al）N相组成，Si以非晶相的形式存在于（Cr，Al）N晶界处。EDS测试涂层截面平均元素成分为：27.50 at.% Cr 16.16 at.% Al, 10.64 at.% Si和45.70 at.%N。涂层厚度约为1.5 μm，硬度约为34.1 GPa，弹性模量为405.89 GPa。

Claims

1.一种具有高硬度、高强度的CrAlSiN纳米复合涂层，其特征在于CrAlSiN涂层与基体之间有一层纯Cr金属过渡层，以提高涂层与基体之间的结合力，过渡层厚度为10~300 nm；CrAlSiN涂层总厚度为1~10 μm。

2.根据权利要求1所述的涂层成分，其特征在于：CrAlSiN涂层中Cr含量为10~45 at.%，Al含量为5~35 at.%, Si含量为5~15 at.%，N含量为40~55 at.%，涂层成分通过调节Cr靶、Al靶、Si靶的功率来控制。

3.根据权利要求1所述CrAlSiN涂层的组织结构，其特征在于：所述的CrAlSiN涂层为面心立方结构的（Cr，Al）N相，其中Si以非晶相SixNy的形式分布于（Cr，Al）N相晶界处，阻止（Cr，Al）N相长大，起到细化晶粒的作用。

4.根据权利要求1所述CrAlSiN涂层的制备工艺，其特征在于：采用高功率脉冲和直流脉冲共溅射技术在金属或硬质合金上沉积具有高硬度、高强度的CrAlSiN纳米复合涂层。

5.按照权利要求2所述的CrAlSiN纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：基体材料在丙酮、酒精、去离子水中超声清洗后，采用N₂吹干，并放在旋转速度为5~45 r/min的转架上，基体材料与靶材距离约为60~120 mm。

6.按照权利要求2所述的CrAlSiN涂层的制备工艺，其特征在于：采用机械泵和分子泵抽真空，当真空室气压优于1×10^-3 Pa时，打开加热系统将炉腔加热至100~450 ºC；待炉内真空度优于2×10^-3 Pa时，开启Ar气流量阀，气流量为30~300 sccm，调整节流阀使真空室压强为0.1~1 Pa，基体加-800V负偏压，辉光清洗10~30 min；开启Cr靶、Al靶和Si靶，靶材功率均为0.4~2 KW，对基体和靶材进行轰击清洗；降低偏压至-10~100 V，关闭Al靶和Si靶电源，沉积纯Cr金属过渡层10~40 min。

7.按照权利要求2所述的CrAlSiN涂层的制备工艺，其特征在于：沉积CrAlSiN涂层时，同时通入N₂和Ar，其气流量分别为30~300 sccm，调整节流阀使真空室压强为0.1~0.8 Pa，控制N₂/Ar比在0.3~3之间；开启Cr靶、Al靶和Si靶，靶材功率均为0.4~2 KW，沉积CrAlSiN涂层；沉积时间为120~360 min。

8.根据权利要求1所述的CrAlSiN涂层的厚度，其特征在于：涂层厚度为1~10 μm，根据所需涂层厚度调整靶材功率、基材转速、涂层的沉积时间等工艺参数。

9.根据权利要求1所述的CrAlSiN涂层，其特征在于：所述CrAlSiN涂层硬度为20~50GPa，弹性模量为350~500 GPa，具有很好的抗高温氧化性能，与基体结合良好。