CN109234677A - 一种涂层 - Google Patents

Abstract

一种涂层，包括打底层、功能层、表面覆盖层，所述打底层与功能层之间施加特定的成分过渡层，所述打底层、成分过渡层、功能层、表面覆盖层依次涂覆于基材上，得到涂层工具，所述成分过渡层为成分梯度层，所述成分梯度层同时包含Ti、Al、Si、N四种元素，其中Al含量随着距基材表面的距离增大而逐渐减小，Si含量随着距基材表面的距离增大而逐渐增大。

Description

一种涂层

技术领域

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种涂覆加工工具的涂层。

背景技术

在机械加工领域，加工工具往往要求耐高温氧化、易排屑、抗冲击和耐磨等特点，例如，在钻削加工应用中，通常需要钻头具有耐高温氧化、易排屑、抗冲击和耐磨等特点。硬质涂层通常是指施加在材料表面进行防护的覆盖层，可以有效地降低各类部件的机械磨损、化学腐蚀及高温氧化倾向，从而延长其使用寿命。因此，通常在加工工具如钻头表面施加一层硬质涂层来提高寿命。传统的硬质涂层主要包括TiAlN、AlCrN、TiSiN和TiCN等涂层。通过调研发现，传统的涂层方案在一些应用中，例如，在铁系合金钻削加工中还存在明显不足。例如，TiAlN涂层具有良好的抗高温性能，但是在沉积过程中容易以柱状性生长，涂层不够细腻致密；AlCrN涂层具有较好的抗高温氧化和抗粘性，但该涂层的热稳定性和抗冲击性不足；TiSiN涂层组织细腻，但是应力比较大，高温耐磨性不足；TiCN涂层摩擦系数低，利于排屑，但是使用温度较低，在加工不锈钢时耐磨性明显表现不足。在公开号为CN103874780A中公开了一种利用HIPIMS在钻头上涂覆DLC涂层的方法，因碳与铁的倾向性问题，该方法难以弥补在铁系合金钻削加工中的缺点。另外，有研究者为结合两类涂层的优点，设计了简单的多层涂层，但是又引入了层间结合强度低等新的问题。

发明内容

有鉴于此，有必要提供适用于一种适用于加工工具的涂层，以解决上述问题。

一种涂层，所述涂层包括打底层、功能层、表面覆盖层，所述打底层与功能层之间还设置了成分过渡层，所述成分过渡层为成分梯度层，所述成分梯度层同时包含Ti、Al、Si、N四种元素，其中Al含量随着距基材表面的距离增大而逐渐减小，Si含量随着距基材表面的距离增大而逐渐增大。

进一步地，所述打底层的化学组成为Ti_(1-x)Al_xN，x≤0.67或者x≤0.50，其中，x表示仅考虑金属元素时Al元素的原子百分比。

进一步地，所述功能层的化学组成为Ti_pAl_qSi_dN，其中，p+q+d＝1，p、q和d为仅考虑对应平衡元素Ti、Al和Si元素的原子百分比，0.30≤q≤0.50，0.02≤d≤0.10；或者0.35≤q≤0.45，0.03≤d≤0.06。

进一步地，所述功能层的取向择优系数大于等于1，所述功能层(200)的取向择优系数大于等于1，由以(200)晶面择优生长的立方结构氮化钛组成，在择优取向(200)晶面上的晶粒度范围为5～20nm。

进一步地，所述表面覆盖层的化学组成为Ti_aAl_bSi_cN，其中a+b+c＝1，a、b和c为仅考虑对应平衡元素Ti、Al和Si元素的原子百分比；其中b≤0.67，c≤0.15；或者a＝0.9，b＝0，c＝0.1；或者a＝0.5，b＝0.5，c＝0。

进一步地，所述打底层、成分过渡层、功能层、表面覆盖层的总厚度为0.1～5μm；及/或，所述打底层、功能层的厚度分别占涂层总厚度的15～20％、55～65％，所述成分过渡层的厚度占功能层厚度的30～40％。

一种涂层工具，包括一基材和所述涂层，所述涂层形成于所述基材上，形成涂层工具。

一种加工所述涂层的方法，包括以下步骤：

提供一经过表面处理的基材；

于所述基材上形成所述打底层；

于所述打底层上形成所述成分过渡层；

于所述成分过渡层上形成所述功能层；

于所述功能层上形成所述表面覆盖层。

进一步地，于所述基材上形成所述打底层、于所述打底层上形成所述成分过渡层及与所述成分过渡层形成所述功能层的步骤具体为：

采用一Ti_(1-a)Al_a靶以第一功率沉积所述打底层；

同时采用所述Ti_(1-a)Al_a靶和一Ti_(1-b)Si_b靶沉积所述成分过渡层，其中所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率和所述Ti_(1-b)Si_b靶的功率同步进行梯度变化，所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率从第一功率逐渐降低，所述Ti_(1-b)Si_b靶的靶功率从一第二功率逐渐升高，直至所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率达到沉积所述功能层所需的一第三功率、所述Ti_(1-b)Si_b靶的功率均达到沉积所述功能层所需的一第四功率；或者所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率和所述Ti_(1-b)Si_b靶的功率交错进行梯度变化，所述Ti_(1-a)Al_a靶的靶功率维持在所述第一功率不变，所述Ti_(1-b)Si_b靶的靶功率逐渐升高至所述第四功率，之后所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率从所述第一功率逐渐降低至所述第三功率；

同时采用所述Ti_(1-a)Al_a靶以所述第三功率和所述Ti_(1-b)Si_b靶以所述第四功率沉积所述功能层。

进一步地，所述Ti_(1-a)Al_a靶或Ti_(1-b)Si_b靶的靶功率的每个梯度变化时间大于等于0.5h，保证Al和Si的成分平缓梯度变化。

与现有技术相比，本发明的优点在于通过成分过渡层的加入，使打底层与功能层之间的成分有一个梯度的变化，强化了层间的结合强度，所述涂层既保持了TiSiN涂层组织细腻的特点，又具有TiAlN涂层优异的抗高温氧化特性；独特的层间过渡层设计，使得本发明涂层具有高的抗冲击性和层间结合强度。

附图说明

图1为本发明涂层应用于一工具上的结构示意图。

图2为本发明针对沉积成分过渡层时靶功率的设计方案示意图。

图3为本发明实施例中钨钢块样品功能层的XRD谱图。

图4为本发明实施例中钨钢块样品与对照物TiSiN/TiAlN涂层样品对比图，其中图4(a)是本发明实施例制备的涂层，图4(b)是对照物TiSiN/TiAlN涂层。

图5为本发明实施例中钨钢钻头样品钻削SUS 316Li不锈钢1000孔后刃口形貌图，其中图5(b)是图5(a)的局部放大图。

图6为本发明对照物AlTiN涂层钻头样品钻削SUS 316Li不锈钢500孔后刃口形貌图，其中图6(b)是图6(a)的局部放大图。

图7为本发明另一实施例中钨钢钻头样品钻削SUS 316Li不锈钢1250孔后刃口形貌图，其中图7(b)是图7(a)的局部放大图。

图8为本发明对照物AlTiN涂层钻头样品钻削SUS 316Li不锈钢750孔后刃口形貌图，其中图8(b)是图8(a)的局部放大图。

主要元件符号说明

涂层工具	1
		基材	10
涂层	20
		打底层	210
成分过渡层	215
		功能层	220
表面覆盖层	230

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设置于”另一个元件，它可以是直接设置在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的所有的和任意的组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

参阅图1，本发明较佳实施例提供的涂层工具1包括基材10和涂层20，所述涂层20涂覆于基材10上。所述涂层工具1可以为各种加工工具，如钻削用的钨钢钻头、切削用的钨钢切削刀具、以及其他加工用工具及模治具，所述涂层工具1可以用于：例如不锈钢的钻削加工。

进一步地，所述基材10的总厚度为0.5～2.0μm。

所述涂层包括打底层210、功能层220、表面覆盖层230，其中所述打底层210与功能层220之间施加特定的成分过渡层215，所述打底层210、成分过渡层215、功能层220、表面覆盖层230依次涂覆于基材10上，所述成分过渡层215为成分梯度层，所述成分梯度层同时包含Ti、Al、Si、N四种元素，Al和Si的含量平缓变化，其中Al含量随着距基材表面的距离增大而逐渐减小，Si含量随着距基材表面的距离增大而逐渐增大，所述成分梯度层是利用成分的平缓梯度变化来缓解涂层的内部应力，强化层间结合强度。

所述打底层210的化学组成为Ti_(1-x)Al_xN，x≤0.67，其中x表示仅考虑金属元素时Al元素的原子百分比。

优选地，x≤0.50。

所述功能层220的化学组成为Ti_pAl_qSi_dN，0.30≤q≤0.50，0.02≤d≤0.10，其中，p+q+d＝1，p、q和d为仅考虑对应平衡元素Ti、Al和Si元素的原子百分比。TiAlSiN涂层具有较好的热稳定性和抗高温氧化性，但是Si元素的加入在一定程度上导致涂层内应力增大，加工应用过程中存在脱膜风险，可能严重影响钻削加工过程中排屑的流畅性。通过调整Al和Si元素的成分比例搭配，即在上述Al和Si的成分范围内Al高Si低或Al低Si高，且结合上面所述成分过渡层215，来缓解涂层的内应力。

优选地，所述功能层220的化学组成为Ti_pAl_qSi_dN，0.35≤q≤0.45，0.03≤d≤0.06，其中，p+q+d＝1，p、q和d为仅考虑对应平衡元素Ti、Al和Si元素的原子百分比。

进一步地，所述功能层220以(200)晶面择优生长的立方结构氮化钛组成，在择优取向(200)晶面上的晶粒度优选范围为5～20nm，更优选范围为8～15nm。根据霍尔-佩奇(Hall-Petch)公式可知，细化晶粒，能够提高材料的硬度和屈服强度，因此，将所述功能层220的晶粒尺寸控制在较小的范围，有利于所述涂层20的耐磨性和抗冲击性。

所述表面覆盖层230的化学组成为Ti_aAl_bSi_cN，其中b≤0.67，c≤0.15，a+b+c＝1，a、b和c为仅考虑对应平衡元素Ti、Al和Si元素的原子百分比。所述表面覆盖层230作为外观颜色层以及表层氧化防护层，当所述涂层工具1应用在较低温度工况下，优选TiSiN，即b＝0，在保证表面不被剧烈氧化的前提下，表层光滑细腻，利于排屑；当所述涂层工具1应用在较高温度工况下，优选TiAlN，即c＝0，具有较好的抗氧化功能。

所述打底层210、成分过渡层215、功能层220、表面覆盖层230的总厚度为0.1～5μm。

进一步地，所述打底层210、功能层220的厚度分别占涂层20总厚度的15～20％、55～65％，所述成分过渡层215的厚度占功能层220厚度的30～40％。

在具体实施例中，提供一基材10，所述基材10为钨钢块或钨钢钻头，通过物理气相沉积技术在钨钢块或钨钢钻头上沉积涂层20，依次沉积打底层210、成分过渡层215、功能层220、表面覆盖层230，具体制备过程如下：(1)提供一经过表面处理的钨钢块或钨钢钻头；(2)将所述钨钢块或钨钢钻头放入真空镀膜腔室，在450～550℃温度下充分加热；(3)通过Ar离子对基材10表面进行活化处理；(4)利用溅射技术，结合靶材的组合搭配，通过工艺参数控制和调节，得到带有涂层20的钨钢块或钨钢块钻头，即获得涂层工具1。

参阅图2，所述溅射技术，即通过物理沉积方法，采用一Ti_(1-a)Al_a靶以第一功率W₁，于所述基材10上形成一打底层210；然后同时采用所述Ti_(1-a)Al_a靶和一Ti_(1-b)Si_b靶沉积所述成分过渡层215，其中所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率和所述Ti_(1-b)Si_b靶的功率同步进行梯度变化，所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率从第一功率W₁逐渐降低，所述Ti_(1-b)Si_b靶的靶功率从一第二功率W₂逐渐升高，直至所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率达到沉积所述功能层220所需的一第三功率W₃、所述Ti_(1-b)Si_b靶的功率均达到沉积所述功能层220所需的一第四功率W₄，同时采用所述Ti_(1-a)Al_a靶以所述第三功率W₃和所述Ti_(1-b)Si_b靶以所述第四功率W₄沉积所述功能层220。

在另一实施例中，所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率和所述Ti_(1-b)Si_b靶的功率交错进行梯度变化，所述Ti_(1-a)Al_a靶的靶功率维持在所述第一功率W₁不变，所述Ti_(1-b)Si_b靶的靶功率逐渐从所述第二功率W₂升高至所述第四功率W₄，之后所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率从所述第一功率W₁逐渐降低至所述第三功率W₃。

所述Ti_(1-a)Al_a靶或Ti_(1-b)Si_b靶的靶功率的每个梯度变化时间大于等于0.5h，保证Al和Si的成分平缓梯度变化。

所述涂层20的打底层210的化学成分为Ti_0.5Al_0.5N，成分过渡层215的化学成分为TiAlSiN，功能层220的化学成分为Ti_0.55Al_0.42Si_0.03N，表面覆盖层230的化学成分为Ti_0.5Al_0.5N，所述涂层20的总厚度为1.8μm，所述打底层210、成分过渡层215、功能层220的厚度分别为0.28μm、0.32μm和1.02μm。

参阅图3所示，对根据本发明上述实施例制备的钨钢块的功能层220进行XRD分析，所述功能层220以(200)晶面择优生长的立方结构氮化钛组成，没有Si物相存在，结合TiN物相峰宽化明显现象，推测该涂层中Si以Si₃N₄非晶相方式存在，起到细化晶粒的作用，通过谢乐公式计算在(200)晶面上的晶粒尺寸约为10nm。

参阅图4，对根据本发明上述实施例制备的钨钢块与对照物TiSiN/TiAlN涂层进行高温试验对比，对比结果如表1所示。

表1：本发明实施例制备产品与对照物TiSiN/TiAlN涂层的对比试验结果

从上表可以看出，上述实施例制备的钨钢块样品600℃下的磨损率(3.905×10^{- 6}mm³/N·m)明显小于对照物的磨损率(10.595×10^-6mm³/N·m)，且从磨损形貌看，对照物TiSiN/TiAlN涂层中的涂层TiSiN层已磨穿，且氧化变色严重。

在另一对比试验中，将根据本发明上述实施例制备的钨钢钻头与对照物AlTiN涂层钻头进行不锈钢SUS 316Li的钻削对比试验，对比结果如表2所示。

表2：本发明实施例制备产品与对照物AlTiN涂层钻头的对比试验结果

从上表可以看出，在相同条件下对比，本发明实施例制备的钨钢块钻头的使用寿命比传统AlTiN涂层钻头使用寿命提升了1倍。

参阅图5和图6，分别展示的是本发明实施例制备的钨钢钻头钻削1000孔后刃口形貌和对照物AlTiN涂层钻头钻削500孔后刃口形貌，对照物AlTiN涂层钻头的涂层有明显脱膜现象且刃口崩缺严重，而本发明实施例制备的钨钢钻头的涂层和刃口仍基本保持完整，明显优于对照物。

在另一实施例中，在规格为D1.78H4.5的钨钢钻头上制备涂层20得到另一钨钢钻头样品，所述涂层20的打底层210的化学成分为Ti_0.5Al_0.5N，成分过渡层215的化学成分为TiAlSiN，功能层220的化学成分为Ti_0.48Al_0.50Si_0.02N，表面覆盖层230的化学成分为Ti_0.5Al_0.5N，所述涂层20的总厚度为1.68μm，所述打底层210、成分过渡层215、功能层220的厚度分别为0.31μm、0.28μm和0.93μm。

将所述钨钢钻头样品与对照物AlTiN涂层钻头进行不锈钢SUS316Li的钻削对比试验，对比结果如表3所示。

表3：本发明实施例制备产品与对照物AlTiN涂层钻头的对比试验结果

从上表可以看出，在相同条件下对比，本发明实施例制备的上述钨钢钻头样品的使用寿命比传统AlTiN涂层钻头使用寿命提升了66％。

参阅图7和图8，分别展示的是本发明实施例制备的上述钨钢钻头样品钻削1250孔后刃口形貌和对照物AlTiN涂层钻头钻削750孔后刃口形貌，对照物AlTiN涂层钻头的涂层有明显脱膜现象且刃口崩缺严重，而本发明实施例制备的上述钨钢钻头样品的涂层和刃口仍基本都保持完整，明显优于对照物。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和实质。

Claims (10)

1.一种涂层，所述涂层包括打底层、功能层、表面覆盖层，其特征在于，所述打底层与功能层之间还设置了成分过渡层，所述成分过渡层为成分梯度层，所述成分梯度层同时包含Ti、Al、Si、N四种元素，其中Al含量随着距基材表面的距离增大而逐渐减小，Si含量随着距基材表面的距离增大而逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述打底层的化学组成为Ti_(1-x)Al_xN，x≤0.67或者x≤0.50，其中，x表示仅考虑金属元素时Al元素的原子百分比。

3.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述功能层的化学组成为Ti_pAl_qSi_dN，其中，p+q+d＝1，p、q和d为仅考虑对应平衡元素Ti、Al和Si元素的原子百分比，0.30≤q≤0.50，0.02≤d≤0.10；或者0.35≤q≤0.45，0.03≤d≤0.06。

4.根据权利要求3所述的涂层，其特征在于，所述功能层(200)的取向择优系数大于等于1，由以(200)晶面择优生长的立方结构氮化钛组成，在择优取向(200)晶面上的晶粒度范围为5～20nm。

5.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述表面覆盖层的化学组成为Ti_aAl_bSi_cN，其中a+b+c＝1，a、b和c为仅考虑对应平衡元素Ti、Al和Si元素的原子百分比；其中b≤0.67，c≤0.15；或者a＝0.9，b＝0，c＝0.1；或者a＝0.5，b＝0.5，c＝0。

6.根据权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述打底层、成分过渡层、功能层、表面覆盖层的总厚度为0.1～5μm；及/或，所述打底层、功能层的厚度分别占涂层总厚度的15～20％、55～65％，所述成分过渡层的厚度占功能层厚度的30～40％。

7.一种涂层工具，其特征在于，所述涂层工具包括一基材及如权利要求1-6所述的涂层，所述涂层形成于所述基材上，形成所述涂层工具。

8.一种加工权利要求1所述涂层的方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一经过表面处理的基材；

于所述基材上形成所述打底层；

于所述打底层上形成所述成分过渡层；

于所述成分过渡层上形成所述功能层；

于所述功能层上形成所述表面覆盖层。

9.一种加工权利要求8所述涂层的方法，其特征在于，于所述基材上形成所述打底层、于所述打底层上形成所述成分过渡层及与所述成分过渡层形成所述功能层的步骤具体为：

采用一Ti_(1-a)Al_a靶以第一功率沉积所述打底层；

同时采用所述Ti_(1-a)Al_a靶和一Ti_(1-b)Si_b靶沉积所述成分过渡层，其中所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率和所述Ti_(1-b)Si_b靶的功率同步进行梯度变化，所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率从第一功率逐渐降低，所述Ti_(1-b)Si_b靶的靶功率从一第二功率逐渐升高，直至所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率达到沉积所述功能层所需的一第三功率、所述Ti_(1-b)Si_b靶的功率均达到沉积所述功能层所需的一第四功率；或者所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率和所述Ti_(1-b)Si_b靶的功率交错进行梯度变化，所述Ti_(1-a)Al_a靶的靶功率维持在所述第一功率不变，所述Ti_(1-b)Si_b靶的靶功率逐渐升高至所述第四功率，之后所述Ti_(1-a)Al_a靶的功率从所述第一功率逐渐降低至所述第三功率；

同时采用所述Ti_(1-a)Al_a靶以所述第三功率和所述Ti_(1-b)Si_b靶以所述第四功率沉积所述功能层。

10.根据权利要求9所述涂层的方法，其特征在于，所述Ti_(1-a)Al_a靶或Ti_(1-b)Si_b靶的靶功率的每个梯度变化时间大于等于0.5h，保证Al和Si的成分平缓梯度变化。