CN110438442A - 一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅双相超硬涂层及其沉积方法 - Google Patents

一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅双相超硬涂层及其沉积方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅双相超硬涂层及其沉积方法，超硬涂层为四层结构：最内层为纯铌粘结层，厚度为0.05‑0.5微米；次内层为氮化铌过渡层，厚度为0.05‑1.0微米；次外层为梯度层，由内向外氮化铌成分逐渐降低、氮化铌铝钇/氮化硅成分逐渐提高，厚度约0.1‑1.0微米，可防止应力界面上的集中；最外层为氮化铌铝钇/氮化硅复合耐磨层，厚度为1‑10微米；涂层总厚度1.2‑12.5微米。涂层和硬质合金基体结合力达70‑105N，涂层硬度40‑60GPa，摩擦系数0.20‑0.55，涂层抗氧化温度达750℃以上，涂覆微钻或铣刀寿命比未涂覆微钻或铣刀提高4‑8倍。

Description

一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅双相超硬涂层及其沉积 方法
技术领域
本发明涉及一种硬质合金刀具用纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅双相超硬涂层及其沉积方法，属于机械加工和新材料领域。
背景技术
随着印刷线路板(PCB)行业的巨大发展，中国大陆PCB加工用铣刀和微钻的消耗量每年达几十亿支。近年来，线路板层数的增加、切削速率的提高、无卤素等难钻削材质的大量应用对铣刀和微钻切削性能提出了更高要求，促使人们探索适用于PCB铣刀和微钻的表面强化技术。对本身维氏硬度已经接近20GPa的细晶硬质合金PCB铣刀及微钻，如果施加硬度为20-30GPa的TiN、TiCN、(Ti,Al)N等常规涂层，刀具寿命的提高并不显著。开发硬度超过40GPa的超硬涂层是发展PCB刀具涂层的重点方向。同时在追求涂层超硬性能的同时，保证涂层的高韧性和良好的结合强度对超硬涂层在PCB刀具上的实际应用至关重要。将纳米晶过渡金属氮化物(nc-TMN)植入非晶氮化硅(a-Si3N4)形成nc-TMN/a-Si3N4双相纳米复合涂层可获得硬度高于40GPa的超硬涂层。这种超硬纳米复合结构的形成依赖于沉积过程中相分离的热力学驱动及生长的自组织过程。在相分离引起的自由能降低、成分梯度及界面应变能的平衡作用下，具有特征晶粒尺寸的纳米复合结构自组织形成。典型的例子如Ti-Si-N体系在适当条件下形成纳米晶TiN植入非晶Si3N4的纳米复合结构。
近年来，研究者为获得超硬复合涂层，对Ti-Si-N、Cr-Si-N、Ti-Al-Si-N、Cr-Al-Si-N体系进行了研究，但多数研究者获得的涂层的硬度在40GPa以下。无法获得高硬度纳米复合涂层原因之一是涂层沉积过程中在热力学和动力学上不满足spinodal相分离的条件，不能形成双相复合结构。如对Ti-Si-N和Cr-Si-N体系，发生完全spinodal分解的温度应高于450℃，同时N2分压不宜过低。第二个重要原因是即使能够形成双相复合结构，但涂层中某些杂质的存在对双相界面有弱化作用，例如涂层中存在一定量的O杂质，高电负性的O与Si的结合会弱化近邻的价键强度，涂层硬度仅能达到35GPa甚至更低；另外Si-O键会限制TM-Si-N固溶体的分解和nc-TMN/a-Si3N4的形成。大多数物理气相沉积温度在200-400℃，N2分压在0.05-0.5Pa之间，所用靶材或气体会含有一定量氧，特别是真空室壁及治具吸附的气体在低压和高温下会持续脱附，即使镀膜的真空度可高达10-3Pa，由于氧的高反应活性，涂层中往往含有一定的氧，尤其是沉积速率较慢的磁控溅射工艺涂层更容易受到氧的影响。涂层制备过程中降低氧含量是获得超硬纳米复合涂层的基本保障。
由于Si和Nb的原子半径、电负性差别较大，Si在NbN中的溶解度比在TiN和CrN中要低得多，大约在4％左右。Nb-Si-N固溶体的稳定性低，在较低温度下更容易发生相分离形成纳米晶NbN植入非晶Si3N4的复合结构。同时通过高功率离子镀技术的应用、还原性气体的引入，可大大降低涂层中的O杂质的含量，消除O杂质对涂层内界面强度的弱化和涂层硬度的弱化。由于NbN高温下不能形成保护性氧化膜，而少量Si的引入也不足以大幅度提高NbN的抗氧化性，因而向涂层中引入较高含量的Al和少量稀土元素Y，形成纳米晶(Nb,Al,Y)N植入非晶Si3N4的复合结构设计，可以进一步提高涂层的力学性能和抗高温氧化性。本发明拟对(Nb,Al,Y)N和Si3N4进行纳米复合设计，并在涂层沉积过程中通过还原性气体H2，降低涂层中的O杂质含量，在PCB刀具上形成硬度高于40GPa、高温热稳定性高于800℃的超硬复合涂层，以大幅度提高PCB刀具的使用寿命和加工质量。
发明内容
本发明拟采用电弧离子镀技术，靶材选用纯Nb靶和NbAlSiY合金靶，通入反应气体N2和还原性气体H2，并通过气体离子源对通入气体进行离化，以提高气体离化率和反应活性，通过离子镀反应共沉积技术，为PCB刀具提供高性能耐磨超硬涂层。涂层设计方案如下：(1)形成氮化铌铝替位固溶体：铝原子取代氮化铌晶格中部分铌原子的点阵位置，由于Al和Nb的原子半径差别较大，Al的引入导致明显晶格畸变，产生固溶强化，同时较高Al含量的引入会提高涂层的抗氧化能力。(2)添加少量稀土元素Y，在高温下能促进致密氧化铝膜的迅速形成，提高涂层抗氧化能力，并阻止涂层和基体之间的互扩散，提高涂层热稳定性。(3)纳米晶氮化铌铝钇植入氮化硅非晶中形成纳米复合结构抗磨层：氮化硅和氮化铌铝钇之间固溶度低，Nb-Al-Si-Y-N体系容易发生spinodal相分离，氮化硅在物理气相沉积条件下有非晶化趋势，体系可以自组装形成纳米晶氮化铌铝钇植入非晶氮化硅的复合结构，这种复合结构由于固溶效应、纳米效应和稀土效应，不但具有高的硬度，同时能保证涂层良好的韧性和高温热稳定性。
利用等离子增强电弧离子镀技术，沉积温度100-400℃，真空小于2.0×10-3Pa，首先通过Ar和H2，产生离子体清洗PCB铣刀或微钻基体5-60min，获得清洁表面，以提高涂层和刀具基体之间的结合强度。离子镀靶材为纯Nb靶和NbAlSiY合金靶。基体工件上施加脉冲负偏压，沉积过程中引入惰性气体Ar、反应气体N2及还原性气体H2，利用Nb-Al-Si-Y-N体系的热力学特性，调整镀膜工艺，满足镀膜过程中原位发生spinodal相分离的热力学和动力学条件，抑制涂层中的氧含量，在涂层生长过程中自组装形成nc-(Nb,Al,Y)N/a-Si3N4双相复合涂层。纳米复合涂层由纯铌粘结层、氮化铌过渡层、氮化铌-氮化铌铝钇/氮化硅梯度层、及氮化铌铝钇/氮化硅纳米复合抗磨层组成；粘结层为纯铌，厚度约0.05-0.5微米，韧性好，热膨胀系数和硬质合金基体接近，粘结层和基体之间有良好的热匹配性和化学匹配性，可以保证涂层和基体间高的结合强度；过渡层为氮化铌，是在粘结层基础上引入氮气反应形成，由于成分和沉积工艺的控制，和粘结层间及梯度层间均无明显界面，厚度约0.05-1.0微米；梯度层由内向外NbN成分逐渐降低、氮化铌-氮化铌铝钇/氮化硅成分逐渐提高，厚度约0.1-1.0微米，可防止应力在界面上的集中；抗磨层为纳米晶氮化铌铝钇植入非晶氮化硅的复合结构，厚度1-10微米，硬度达40GPa以上，具有良好的耐磨性和低的摩擦系数，热稳定性和抗氧化性良好。纳米复合抗磨层中各相比例及元素组成可根据刀具切削要求调制。所获得的复合涂层和硬质合金基体结合强度达70-105N，硬度达40-60GPa，和GCr15配副摩擦系数在0.2-0.55之间。
一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅超硬复合涂层，所述超硬复合涂层为四层结构，最内层为纯铌粘结层，厚度为0.05-0.5微米；次内层为氮化铌过渡层，厚度为0.05-1.0微米；次外层为氮化铌-氮化铌铝钇/氮化硅梯度层，厚度为0.1-1.0微米；最外层为氮化铌铝钇/氮化硅耐磨层，厚度为1-10微米；涂层总厚度1.2-12.5微米。
制备方法为：采用多弧离子镀纯铌靶沉积粘结层，采用多弧离子镀纯铌靶并通入氮气沉积氮化铌过渡层，采用多弧离子镀纯铌靶和铌铝硅钇合金靶并通入氮气沉积梯度层，采用多弧离子镀铌铝硅钇合金靶并通入氮气沉积耐磨层。
所述铌铝硅钇合金靶中铌的原子百分含量为30-60％，铝的原子百分含量为30-55％，硅的原子百分含量为5-15％，钇的原子百分含量为1-4％。
所述涂层沉积过程中引入H2，以降低涂层中的氧含量。
所述的一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅超硬复合涂层及其沉积方法，涂层沉积过程如下：硬质合金PCB微钻或铣刀，柄径3.175mm、刃径0.1-3.2mm，依次经除油、有机溶剂清洗、去离子水漂洗、烘干后装入涂层炉，真空抽至2.0×10-3Pa以下，温度100-400℃，第一步对工件基体进行气体等离子清洗：通过气体离子源通入Ar和H2，分压分别为0.05-0.5Pa和0.05-0.3Pa，离子源电流为1-15A，工件施加脉冲负偏压，频率5-80KHz、峰值50-300V、占空比50-90％，对工件进行等离子清洗5-60min；
第二步对工件进行电弧等离子清洗：关闭气体离子源，脉冲负偏压频率5-80KHz、峰值600-1500V、占空比10-50％，Ar和H2分压为0.05-0.5Pa和0.05-0.3Pa，打开电弧离子镀Nb靶，弧源电流40-100A，对工件进行轰击溅射清洗1-30min；
第三步沉积Nb粘结层：脉冲负偏压调至频率5-80KHz、峰值50-300V、占空比50-90％,Ar和H2分压分别为0.1-1.0Pa和0.05-0.3Pa，离子镀Nb靶弧源电流为50-200A，沉积纯Nb粘结层1-10min，厚度0.05-0.5微米；
第四步沉积NbN过渡层：脉冲负偏压保持不变，H2分压保持不变，关闭Ar，通入N2，分压为0.1-1.0Pa，沉积NbN过渡层1-20min，厚度0.05-1.0微米；
第五步沉积梯度层：保持脉冲负偏压不变，N2和H2分压分别为1.0-3.0Pa和0.05-0.3Pa，Nb靶电流保持不变，NbAlSiY合金靶电流在给定时间内自40-60A线性增加到80-200A，沉积时间1-10min，厚度0.1-1.0微米；第六步沉积耐磨层：保持脉冲负偏压不变、N2和H2分压不变、关闭离子镀Nb靶，开启离子镀NbAlSiY合金靶，弧源电流80-200A，沉积纳米双相复合耐磨层20-200min，厚度1-10微米；
镀膜停止后冷却1h后打开涂层炉取出工件，涂层总厚度1.2-12.5μm。
(1)由于多层设计、双相设计及稀土元素添加，涂层和硬质合金基体结合力强(划痕结合力达70N以上)，硬度高(25g载荷下维氏硬度超过40GPa)，摩擦系数低(和GCr15配副摩擦系数在0.20-0.55之间)，涂层耐热性好(抗氧化温度达750℃以上)。
(2)涂覆微钻或铣刀寿命比未涂覆微钻或铣刀寿命提高4-8倍，线路板加工质量有明显改善(孔位精度提高、毛边和钉头等缺陷减少)。
附图说明
图1本发明氮化铌铝钇/氮化硅纳米复合涂层结构示意图：1为(NbAlY)N/Si3N4耐磨层，2为NbN-(NbAlY)N/Si3N4梯度层，3为NbN过渡层，4为纯Nb粘结层，5为pcb刀具基体。
具体实施方式
实施例1
硬质合金PCB微钻，柄径3.175mm、刃径0.2mm，依次经除油、有机溶剂清洗、去离子水漂洗、烘干后装入涂层炉。真空抽至1.0×10-3Pa以下，温度保持在200±5℃。第一步对工件基体进行气体等离子清洗：通过气体离子源通入Ar和H2，分压分别为0.2Pa和0.1Pa，离子源电流为5A，工件施加脉冲负偏压，频率80KHz、峰值100V、占空比90％，对工件进行等离子清洗30min。第二步对工件进行电弧等离子清洗：关闭气体离子源，将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值700V、占空比30％，Ar和H2分压调整为0.1Pa和0.05Pa，打开电弧离子镀Nb靶，弧源电流60A，对工件进行轰击溅射清洗5min。第三步沉积Nb粘结层：将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值100V、占空比80％,Ar和H2分压调整为0.3Pa和0.1Pa，离子镀Nb靶弧源电流调整为80A，沉积纯Nb粘结层2min，厚度0.1微米；第四步沉积NbN过渡层：脉冲负偏压保持不变，H2分压保持不变，关闭Ar，通入N2，分压为0.3Pa，沉积NbN过渡层2min，厚度0.1微米。第五步沉积梯度层：保持脉冲负偏压不变，N2和H2分压分别为2.0Pa和0.1Pa，Nb靶电流保持不变，打开离子镀Nb48Al40Si10Y2合金靶，电流在4min内自40A线性增加到80A，沉积时间4min，厚度0.4微米；第六步沉积耐磨层：保持脉冲负偏压不变、气体分压不变，关闭离子镀Nb靶，离子镀Nb48Al40Si10Y2合金靶弧源电流保持80A，沉积纳米双相复合耐磨层24min，厚度1.2微米。镀膜停止后冷却1h后打开涂层炉取出工件。以BCT1000球坑测量仪测得涂层厚度1.8μm，以WS-2005声发射划痕仪测得涂层和基体结合力85N，以MH-5显微硬度计在25g载荷下测得涂层硬度42GPa，以HT-1000摩擦磨损试验机测得涂层和GCr15配副摩擦系数0.30，经热重分析和电镜分析表明涂层抗氧化温度达900℃。用本实施例涂覆微钻对FR4板进行钻孔加工，钻孔数量为11200孔，加工数量比未涂覆微钻(0.2mm未涂覆微钻孔限为2000孔)提高4.6倍。
实施例2
硬质合金PCB微钻，柄径3.175mm、刃径0.35mm，依次经除油、有机溶剂清洗、去离子水漂洗、烘干后装入涂层炉。真空抽至1.0×10-3Pa以下，温度保持在200±5℃。第一步对工件基体进行气体等离子清洗：通过气体离子源通入Ar和H2，分压分别为0.2Pa和0.1Pa，离子源电流为5A，工件施加脉冲负偏压，频率80KHz、峰值150V、占空比90％，对工件进行等离子清洗30min。第二步对工件进行电弧等离子清洗：关闭气体离子源，将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值800V、占空比30％，Ar和H2分压调整为0.1Pa和0.05Pa，打开电弧离子镀Nb靶，弧源电流60A，对工件进行轰击溅射清洗5min。第三步沉积Nb粘结层：将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值120V、占空比80％,Ar和H2分压调整为0.3Pa和0.1Pa，离子镀Nb靶电流调整为80A，沉积纯Nb粘结层2min，厚度0.1微米；第四步沉积NbN过渡层：脉冲负偏压保持不变，H2分压保持不变，关闭Ar，通入，分压为0.3Pa，沉积NbN过渡层4min，厚度0.2微米。第五步沉积梯度层：保持脉冲负偏压不变，N2和H2分压分别为2.0Pa和0.1Pa，Nb靶电流保持不变，打开离子镀Nb48Al40Si10Y2合金靶，电流在6min内自40A线性增加到80A，沉积时间6min，厚度0.6微米；第六步沉积耐磨层：保持脉冲负偏压不变、N2和H2分压不变，关闭离子镀Nb靶，保持离子镀Nb48Al40Si10Y2靶弧源电流80A不变，沉积纳米双相复合层40min，厚度2.0微米。镀膜停止后冷却1h后打开涂层炉取出工件。以BCT1000球坑测量仪测得涂层厚度2.9μm，以WS-2005声发射划痕仪测得涂层和基体结合力94N，以MH-5显微硬度计在25g载荷下测得涂层硬度45GPa，以HT-1000摩擦磨损试验机测得涂层和GCr15配副摩擦系数0.34，经热重分析和电镜分析表明涂层抗氧化温度达900℃。用本实施例涂覆微钻对FR4板进行钻孔加工，钻孔数量为18000孔，加工数量比未涂覆微钻(0.35mm未涂覆微钻孔限为3000孔)提高5倍。
实施例3
硬质合金PCB铣刀，柄径3.175mm，刃径1.2mm，依次经除油、有机溶剂清洗、去离子水漂洗、烘干后装入涂层炉。真空抽至1.5×10-3Pa以下，温度保持在250±5℃。第一步对工件基体进行气体等离子清洗：通过气体离子源通入Ar和H2，分压分别为0.2Pa和0.1Pa，离子源电流为8A，工件施加脉冲负偏压，频率80KHz、峰值200V、占空比90％，对工件进行等离子清洗30min。第二步对工件进行电弧等离子清洗：关闭气体离子源，将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值1000V、占空比30％，Ar和H2分压调整为0.1Pa和0.05Pa，打开电弧离子镀Nb靶，弧源电流60A，对工件进行轰击溅射清洗5min。第三步沉积Nb粘结层：将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值200V、占空比80％,Ar和H2分压调整为0.3Pa和0.1Pa，离子镀Nb靶弧源电流调整为80A，沉积纯Nb粘结层4min，厚度0.2微米；第四步沉积NbN过渡层：脉冲负偏压保持不变，H2分压保持不变，关闭Ar，通入N2，分压为0.3Pa，沉积NbN过渡层6min，厚度0.3微米。第五步沉积梯度层：保持偏压不变，N2和H2分压分别为2.0Pa和0.1Pa，Nb靶电流保持不变，打开离子镀Nb36Al50Si10Y4合金靶，电流在6min内自40A线性增加到80A，沉积时间6min，厚度0.6微米；第六步沉积耐磨层：保持脉冲负偏压不变、N2和H2分压不变，关闭离子镀Nb靶，离子镀Nb36Al50Si10Y4靶弧源电流保持80A、沉积纳米双相复合层50min，厚度2.5微米。镀膜停止后冷却1h后打开涂层炉取出工件。以BCT1000球坑测量仪测得涂层厚度3.6μm，以WS-2005声发射划痕仪测得涂层和基体结合力98N，以MH-5显微硬度计在25g载荷下测得涂层硬度48GPa，以HT-1000摩擦磨损试验机测得涂层和GCr15配副摩擦系数0.36，经热重分析和电镜分析表明涂层抗氧化温度达1000℃。用本实施例涂覆铣刀对无卤素板进行铣切加工，加工长度30.2米，加工长度比未涂覆铣刀(1.2mm未涂覆铣刀铣断长度为6米)提高4倍。
实施例4
PCB铣，柄径3.175mm、刃径2.8mm，依次经除油、有机溶剂清洗、去离子水漂洗、烘干后装入涂层炉。真空抽至1.5×10-3Pa以下，温度保持在250±5℃。第一步对工件基体进行气体等离子清洗：通过气体离子源通入Ar和H2，分压分别为0.2Pa和0.1Pa，离子源电流为10A，工件施加脉冲负偏压，频率80KHz、峰值300V、占空比90％，对工件进行等离子清洗40min。第二步对工件进行电弧等离子清洗：关闭气体离子源，将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值1200V、占空比30％，Ar和H2分压调整为0.15Pa和0.05Pa，打开电弧离子镀Nb靶，弧源电流80A，对工件进行轰击溅射清洗10min。第三步沉积Nb粘结层：将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值200V、占空比80％,Ar和H2分压调整为0.3Pa和0.1Pa，离子镀Nb靶弧源电流调整为80A，沉积纯Nb粘结层6min，厚度0.3微米；第四步沉积NbN过渡层：脉冲负偏压保持不变，H2分压保持不变，关闭Ar，通入N2，分压为0.3Pa，沉积NbN过渡层10min，厚度0.5微米。第五步沉积梯度层：保持脉冲负偏压不变，N2和H2分压分别为2.0Pa和0.1Pa，Nb靶电流保持不变，打开离子镀Nb36Al50Si10Y4合金靶，电流在10min内自40A线性增加到80A，沉积时间10min，厚度1.0微米；第六步沉积耐磨层：保持脉冲负偏压不变、N2和H2分压不变，关闭离子镀Nb靶，保持离子镀Nb36Al50Si10Y4靶弧源电流80A，沉积纳米双相复合层100min，厚度5微米。镀膜停止后冷却1h后打开涂层炉取出工件。以BCT1000球坑测量仪测得涂层厚度6.8μm，以WS-2005声发射划痕仪测得涂层和基体结合力75N，以MH-5显微硬度计在25g载荷下测得涂层硬度56GPa，以HT-1000摩擦磨损试验机测得涂层和GCr15配副摩擦系数0.42，经热重分析和电镜分析表明涂层抗氧化温度达1000℃。用本实施例涂覆铣刀对无卤素板进行铣切加工，加工长度164米，加工长度比未涂覆铣刀(2.8mm未涂覆铣刀铣断长度为20米)提高7倍。
对比例1
PCB微钻，柄径3.175mm、刃径0.2mm，依次经除油、有机溶剂清洗、去离子水漂洗、烘干后装入涂层炉。真空抽至1.0×10-3Pa以下，温度保持在200±5℃。第一步对工件基体进行气体等离子清洗：通过气体离子源通入Ar和H2，分压分别为0.2Pa和0.1Pa，离子源电流为5A，工件施加脉冲负偏压，频率80KHz、峰值100V、占空比90％，对工件进行等离子清洗30min。第二步对工件进行电弧等离子清洗：关闭气体离子源，将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值700V、占空比30％，Ar和H2分压调整为0.1Pa和0.05Pa，打开电弧离子镀Nb靶，弧源电流60A，对工件进行轰击溅射清洗5min。第三步沉积Nb粘结层：将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值100V、占空比80％,Ar和H2分压调整为0.3Pa和0.1Pa，离子镀Nb靶弧源电流调整为80A，沉积纯Nb粘结层2min，厚度0.1微米；第四步沉积NbN过渡层：脉冲负偏压保持不变，H2分压保持不变，关闭Ar，通入N2，分压为0.3Pa，沉积NbN过渡层2min，厚度0.1微米。第五步沉积梯度层：保持脉冲负偏压不变，N2和H2分压分别为2.0Pa和0.1Pa，Nb靶电流保持不变，打开离子镀Nb50Al50合金靶，电流在4min内自40A线性增加到80A，沉积时间4min，厚度0.4微米；第六步保持脉冲负偏压不变、N2和H2分压不变，关闭离子镀Nb靶，离子镀Nb50Al50弧源电流80A保持不变，沉积24min，厚度1.8微米。镀膜停止后冷却1h后打开涂层炉取出工件。以BCT1000球坑测量仪测得涂层厚度1.6μm，以WS-2005声发射划痕仪测得涂层和基体结合力90N，以MH-5显微硬度计在25g载荷下测得涂层硬度28GPa，以HT-1000摩擦磨损试验机测得涂层和GCr15配副摩擦系数0.32，经热重分析和电镜分析表明涂层抗氧化温度达600℃。用本实施例涂覆微钻对FR4板进行钻孔加工，钻孔数量为3400孔，加工数量比未涂覆微钻(0.2mm未涂覆微钻孔限为2000孔)提高70％。和实施例1比较，耐磨层为氮化铌-氮化铌铝，没有添加Si和Y，不能形成复合结构，涂层的结合力、摩擦系数变化不大，但涂层硬度和抗高温性能不足，使用寿命提高不多。
对比例2
PCB铣，柄径3.175mm、刃径2.8mm，依次经除油、有机溶剂清洗、去离子水漂洗、烘干后装入涂层炉。真空抽至1.5×10-3Pa以下，温度保持在250±5℃。第一步对工件基体进行气体等离子清洗：通过气体离子源通入Ar和H2，分压分别为0.2Pa和0.1Pa，离子源电流为10A，工件施加脉冲负偏压，频率80KHz、峰值300V、占空比90％，对工件进行等离子清洗40min。第二步对工件进行电弧等离子清洗：关闭气体离子源，将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值1200V、占空比30％，Ar和H2分压调整为0.15Pa和0.05Pa，打开电弧离子镀Nb靶，弧源电流80A，对工件进行轰击溅射清洗10min。第三步沉积抗磨层：将脉冲负偏压调至频率80KHz、峰值200V、占空比80％,Ar和H2分压调整为2.0Pa和0.1Pa，关闭离子镀Nb靶，开启离子镀Nb36Al50Si10Y4靶，弧源电流80A，沉积纳米双相复合层100min，厚度5微米。镀膜停止后冷却1h后打开涂层炉取出工件。以BCT1000球坑测量仪测得涂层厚度5.0微米，涂层局部有脱落，无法测量结合力、硬度和摩擦系数，所涂覆铣刀无法使用。和实施例4比较，由于未沉积粘结层、过渡层及梯度层，涂层和基体结合强度低，发生剥落。

Claims (5)

1.一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅超硬复合涂层，其特征在于：所述超硬复合涂层为四层结构，最内层为纯铌粘结层，厚度为0.05-0.5微米；次内层为氮化铌过渡层，厚度为0.05-1.0微米；次外层为氮化铌-氮化铌铝钇/氮化硅梯度层，厚度为0.1-1.0微米；最外层为氮化铌铝钇/氮化硅耐磨层，厚度为1-10微米；涂层总厚度1.2-12.5微米。
2.根据权利要求1所述的一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅超硬复合涂层，其特征在于，制备方法为：采用多弧离子镀纯铌靶沉积粘结层，采用多弧离子镀纯铌靶并通入氮气沉积氮化铌过渡层，采用多弧离子镀纯铌靶和铌铝硅钇合金靶并通入氮气沉积梯度层，采用多弧离子镀铌铝硅钇合金靶并通入氮气沉积耐磨层。
3.根据权利要求1或2所述的一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅超硬复合涂层，其特征在于：所述铌铝硅钇合金靶中铌的原子百分含量为30-60％，铝的原子百分含量为30-55％，硅的原子百分含量为5-15％，钇的原子百分含量为1-4％。
4.根据权利要求1或2所述的一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅超硬复合涂层，其特征在于：涂层沉积过程中引入H2，以降低涂层中的氧含量。
5.根据权利要求1或2所述的一种纳米氮化铌铝钇/非晶氮化硅超硬复合涂层及其沉积方法，涂层沉积方法为：硬质合金PCB微钻或铣刀，柄径3.175mm、刃径0.1-3.2mm，依次经除油、有机溶剂清洗、去离子水漂洗、烘干后装入涂层炉，真空抽至2.0×10-3Pa以下，温度100-400℃，第一步对工件基体进行气体等离子清洗：通过气体离子源通入Ar和H2，分压分别为0.05-0.5Pa和0.05-0.3Pa，离子源电流为1-15A，工件施加脉冲负偏压，频率5-80KHz、峰值50-300V、占空比50-90％，对工件进行等离子清洗5-60min；
第二步对工件进行电弧等离子清洗：关闭气体离子源，脉冲负偏压频率5-80KHz、峰值600-1500V、占空比10-50％，Ar和H2分压为0.05-0.5Pa和0.05-0.3Pa，打开电弧离子镀Nb靶，弧源电流40-100A，对工件进行轰击溅射清洗1-30min；
第三步沉积Nb粘结层：脉冲负偏压调至频率5-80KHz、峰值50-300V、占空比50-90％,Ar和H2分压分别为0.1-1.0Pa和0.05-0.3Pa，离子镀Nb靶弧源电流为50-200A，沉积纯Nb粘结层1-10min，厚度0.05-0.5微米；
第四步沉积NbN过渡层：脉冲负偏压保持不变，H2分压保持不变，关闭Ar，通入N2，分压为0.1-1.0Pa，沉积NbN过渡层1-20min，厚度0.05-1.0微米；
第五步沉积梯度层：保持脉冲负偏压不变，N2和H2分压分别为1.0-3.0Pa和0.05-0.3Pa，Nb靶电流保持不变，NbAlSiY合金靶电流在给定时间内自40-60A线性增加到80-200A，沉积时间1-10min，厚度0.1-1.0微米；第六步沉积耐磨层：保持脉冲负偏压不变、N2和H2分压不变、关闭离子镀Nb靶，开启离子镀NbAlSiY合金靶，弧源电流80-200A，沉积纳米双相复合耐磨层20-200min，厚度1-10微米；
镀膜停止后冷却1h后打开涂层炉取出工件，涂层总厚度1.2-12.5μm。
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