CN110643935A - 一种抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层及其制备方法 - Google Patents

一种抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布的抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层是由CrAlTiZrY高熵合金粘结层、α‑Cr2O3氧化物模板层、α‑Al2O3氧化物核心层、AlTiON氮氧化物衔接层、AlTiN氮化物表层五个子层构成的整体，这五个子层的顺序是由内至外，涂层总厚度为1～3.5μm。其制备方法为：基底被加热和离子刻蚀后，先利用电弧蒸发镀工艺在基底上沉积CrAlTiZrY层；然后使用阴极电弧离子镀工艺，再继续依次沉积α‑Cr2O3层、α‑Al2O3层、AlTiON层和AlTiN层。本发明的复合涂层兼具优良的抗氧化性与高耐磨性，在高速切削和干式切削加工条件下具有良好的抗月牙洼磨损能力，且工艺可控性好，易于实施。

Description

一种抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层及其制备 方法
技术领域
本发明属于切削刀具表面涂层技术领域，具体涉及一种抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层及其制备方法。
背景技术
在切削刀具表面制备一层薄的涂层可以成倍地提高刀具的表面硬度和使用寿命，目前国内外使用的切削刀具绝大多数都采用了涂层处理。氮化物硬质涂层是切削刀具表面上广泛使用的涂层材料，譬如TiN、TiAlN、CrAlN、TiAlCrN、TiAlSiN等，这类涂层材料的共性是在高温工作状态下抗氧化能力差，易发生月牙洼磨损，甚至氧化剥落失效。当前，切削技术不断进步和发展，尤其是高速切削、干式切削技术的应用越来越多，这类切削技术带来的一个问题是切削温度升高。因此，氮化物涂层刀具在高速切削、干式切削等切削新技术中的应用受到挑战。
氧化物涂层的优势是涂层本身是氧化物，不存在涂层氧化的问题或者涂层自身就是抗氧化的，这类涂层更适宜于刀具在高温条件下工作。α-Al2O3由于结构致密、化学稳定性好、热稳定性好以及具有较高的硬度和韧性，是高温条件下切削加工的理想刀具表面涂层材料，这也是目前化学气相沉积法制备的刀具涂层中普遍含有α-Al2O3的原因。但是，化学气相沉积法的特点是，涂层沉积温度高（600～1000℃），会对刀片本体材料的性能造成改变，如促使对硬质合金刀片中的碳化物变脆，韧性降低，从而致使刀片在金属切削加工（主要是铣削加工）中的应用受到限制。物理气相沉积法因沉积温度低（＜550℃），适合于更宽范围的刀具以及其它工模具和机械零件的表面涂层；也正是因为沉积温度低，导致该方法沉积α-Al2O3的能量不足，物理气相沉积法制备的Al2O3涂层通常为非晶态或其它晶形结构，难以获得理想的使用效果。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的问题，提供一种抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层。
本发明的另一目的是提供一种上述抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层的制备方法。
本发明提供的抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层，其特征在于，涂层是由高熵合金粘结层、氧化物模板层、氧化物核心层、氮氧化物衔接层、氮化物表层五个子层构成的整体，这五个子层的顺序是由内至外，涂层总厚度为1～3.5μm。
其中，上述涂层中，所述高熵合金粘结层为CraAlbTicZrdYe，a+b+c+d+e=1，a、b、c、d、e的取值范围为0.15～0.4，厚度为50～200nm。
其中，上述涂层中，所述氧化物模板层为α-Cr2O3，厚度为100～300nm。
其中，上述涂层中，所述氧化物核心层为α-Al2O3，厚度为500～2000nm。
其中，上述涂层中，所述氮氧化物衔接层为AlTiON，厚度为50～200nm。
其中，上述涂层中，所述氮化物表层为AlTiN，厚度为300～800nm。
本发明提供的上述抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层的制备方法，包括以下步骤：
A、将清洁的基底材料装入涂层设备真空室中，抽真空并加热；
B、对基底表面进行离子刻蚀；
C、利用电弧蒸镀工艺制备高熵合金粘结层；
D、利用阴极电弧镀膜工艺制备氧化物模板层；
E、利用阴极电弧镀膜工艺制备氧化物核心层；
F、利用阴极电弧镀膜工艺制备氮氧化物衔接层；
G、利用阴极电弧镀膜工艺制备氮化物表层。
其中，上述方法步骤A中，所述抽真空并加热是先将背底真空抽至0.05Pa及以下时，打开炉壁的辅助加热装置对基底进行加热，同时打开机架转动电源使基底在真空室内进行自转和公转运动，至基底温度达到380℃；上述方法步骤B中，所述离子刻蚀是向真空室中通入氩气，调节氩气流量保证压强为0.1～0.25Pa，然后对基底施加－100～－200V的直流偏压和－200～－400V的脉冲偏压，利用离化的Ar+对基底表面进行刻蚀，刻蚀30～90min；上述方法步骤C中，所述电弧蒸镀工艺制备高熵合金粘结的工作压强为0.1～0.2Pa，蒸镀坩埚上通过的电弧电流为180～220A，蒸镀坩埚内放置的材料为CraAlbTicZrdYe高熵合金， a+b+c+d+e=1，a、b、c、d、e的取值范围为0.15～0.4，蒸镀时间为5～10min；上述方法步骤D中，所述阴极电弧镀膜工艺制备氧化物模板层的工作气体为Ar+O2，工作压强为1.5～3.5Pa，工作靶材为Cr电弧靶，靶电流为50～100A，基底施加的偏压为－30～－90V，沉积时间8～20min；上述方法步骤E中，所述阴极电弧镀膜工艺制备氧化物核心层的工作气体为Ar+O2，工作压强为1.0～3.0Pa，工作靶材为Al电弧靶，靶电流为80～120A，基底施加的偏压为－30～－90V，沉积时间40～150min；上述方法步骤F中，所述阴极电弧镀膜工艺制备氮氧化物衔接层的工作气体为O2+N2，工作压强为1.0～3.0Pa，工作靶材为AlTi合金电弧靶，靶电流为80～120A，基底施加的偏压为－30～－90V，沉积时间8～15min；上述方法步骤G中，所述阴极电弧镀膜工艺制备氮化物表层的工作气体为N2，工作压强为1.5～3.5Pa，工作靶材为AlTi合金电弧靶，靶电流为80～120A，基底施加的偏压为－30～－90V，沉积时间20～45min。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1）本发明提供的抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层由功能与成分均不同的五个子层构成，首先，高熵合金粘结层相比于传统的Cr、Ti纯金属粘结层及TiAl合金粘结层而言，具有更高的强韧性，能在刀具基底材料与表面涂层材料之间起到很好的粘结作用，使涂层与基底结合牢固；其次，使用的α-Cr2O3氧化物模板层有利于Al2O3按照α-Cr2O3的晶形结构结构外延生长，解决了物理气相沉积法由于温度低制备α-Al2O3困难的问题；再次，α-Al2O3氧化物核心层与AlTiN氮化物表层相结合，避免了单纯氧化物涂层硬度低、耐磨性不足的问题和单纯氮化物涂层抗高温氧化性、化学稳定性和阻碍元素原子内外扩散性能低的问题；最后，AlTiON氮氧化物衔接层实现了氧化物层与氮化物层的有机过渡，避免了α-Al2O3氧化物核心层与AlTiN氮化物表层的界面突变造成的应力过大或层间结合不稳的问题。
2）本发明提供的抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层的制备方法是一种以阴极电弧沉积为主、蒸发镀工艺制备粘结层为辅的组合式离子镀工艺。镀膜前通过加热使基底材料中吸附的杂质释放，同时采用离化的Ar+对基底表面进行轰击刻蚀，增强了涂层与基底的结合；采用电弧蒸镀工艺蒸发高熵合金材料，在基底上沉积高熵合金粘结层，进一步地增强涂层与基底的结合能力，电弧蒸发镀制备粘结层的优势是，沉积速率快，蒸发原料的尺寸、形状几乎不受限制，称重后装入蒸发坩埚内即可，而采用阴极电弧离子镀沉积粘结层，则需要将蒸发原料制成具有一定形状和尺寸的靶材；阴极电弧离子镀过程中的粒子离化率高且离子能量高，相比磁控溅射更容易获得α-Al2O3。在沉积涂层过程中，通过切换不同的电弧靶工作，很容易多层复合涂层的制备，操作工艺简单且易于掌握和控制。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明保护的内容不局限于以下实施例。
实施例1
将清洁的硬质合金基底装入等离子体增强复合式离子镀膜系统的真空室中，待背底真空抽至0.05Pa时，打开炉壁的辅助加热装置对基底进行加热，同时打开转动电源使基底不停地转动，加热至基底温度达到380℃；然后向真空室中通入氩气，调节氩气流量保证压强为0.1Pa，然后对基底施加－200V的直流偏压和－400V的脉冲偏压，利用离化的Ar+对基底表面进行刻蚀，刻蚀60min；依次关闭基底偏压、调节氩气流量，保证工作压强为0.15Pa，开启蒸发镀主弧电源进行蒸发镀膜，坩埚上的主弧电流为200A，蒸发原料为Cr0.2Al0.2Ti0.2Zr0.2Y0.2块，蒸发沉积10min；关闭主弧电源，开启Cr电弧靶，靶电流设为60A，向真空室内通入氧气，调节氩气和氧气流量使工作压强为2.0Pa，对基底施加偏压－40V，沉积10min；开启Al电弧靶，靶电流设为80A，然后关闭Cr电弧靶电源，调节气体流量，控制压强为2.5Pa，基底偏压保持不变继续沉积120min；开启AlTi合金电弧靶，靶电流设为100A，然后关闭Al电弧靶电源，关闭氩气、通入氮气，调节气体流量，控制工作压强为2.0Pa，基底偏压继续保持不变，沉积10min；关闭氧气，增加氮气流量使压强保持2.0Pa，靶电流和基底偏压保持不变，沉积30min后结束。制备的抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层由CrAlTiZrY高熵合金粘结层、α-Cr2O3氧化物模板层、α-Al2O3氧化物核心层、AlTiON氮氧化物衔接层和AlTiN氮化物表层共五个子层组成，各个子层之间以及涂层与基底结合稳固，在高速铣削条件下具有良好的抗月牙洼磨损性能。
实施例2
将清洁的高速钢基底装入等离子体增强复合式离子镀膜系统的真空室中，待背底真空抽至0.05Pa时，打开炉壁的辅助加热装置对基底进行加热，同时打开转动电源使基底不停地转动，加热至基底温度达到380℃；然后向真空室中通入氩气，调节氩气流量保证压强为0.25Pa，然后对基底施加－100V的直流偏压和－200V的脉冲偏压，利用离化的Ar+对基底表面进行刻蚀，刻蚀90min；依次关闭基底偏压、调节氩气流量，保证工作压强为0.1Pa，开启蒸发镀主弧电源进行蒸发镀膜，坩埚上的主弧电流为220A，蒸发原料为Cr0.2Al0.2Ti0.2Zr0.2Y0.2块，蒸发沉积5min；关闭主弧电源，开启Cr电弧靶，靶电流设为70A，向真空室内通入氧气，调节氩气和氧气流量使工作压强为1.5Pa，对基底施加偏压－30V，沉积15min；开启Al电弧靶，靶电流设为110A，然后关闭Cr电弧靶电源，调节气体流量，控制压强为2.5Pa，基底偏压保持不变继续沉积100min；开启AlTi合金电弧靶，靶电流设为110A，然后关闭Al电弧靶电源，关闭氩气、通入氮气，调节气体流量，控制工作压强为1.0Pa，基底偏压继续保持不变，沉积8min；关闭氧气，增加氮气流量使压强为2.0Pa，靶电流和基底偏压保持不变，沉积40min后结束。制备的抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层由CrAlTiZrY高熵合金粘结层、α-Cr2O3氧化物模板层、α-Al2O3氧化物核心层、AlTiON氮氧化物衔接层和AlTiN氮化物表层共五个子层组成，各个子层之间以及涂层与基底结合稳固，在高速切削条件下具有良好的抗月牙洼磨损性能。
实施例3
将清洁的硬质合金基底装入等离子体增强复合式离子镀膜系统的真空室中，待背底真空抽至0.05Pa时，打开炉壁的辅助加热装置对基底进行加热，同时打开转动电源使基底不停地转动，加热至基底温度达到380℃；然后向真空室中通入氩气，调节氩气流量保证压强为0.1Pa，然后对基底施加－200V的直流偏压和－400V的脉冲偏压，利用离化的Ar+对基底表面进行刻蚀，刻蚀90min；依次关闭基底偏压、调节氩气流量，保证工作压强为0.2Pa，开启蒸发镀主弧电源进行蒸发镀膜，坩埚上的主弧电流为210A，蒸发原料为Cr0.2Al0.2Ti0.2Zr0.2Y0.2块，蒸发沉积8min；关闭主弧电源，开启Cr电弧靶，靶电流设为90A，向真空室内通入氧气，调节氩气和氧气流量使工作压强为3.0Pa，对基底施加偏压－70V，沉积8min；开启Al电弧靶，靶电流设为120A，然后关闭Cr电弧靶电源，调节气体流量，控制压强为2.5Pa，基底偏压调节为－90V，沉积120min；开启AlTi合金电弧靶，靶电流设为80A，然后关闭Al电弧靶电源，关闭氩气、通入氮气，调节气体流量，控制工作压强为2.5Pa，基底偏压调节为－30V，沉积15min；关闭氧气，增加氮气流量使压强为3.0Pa，靶电流调节为90A，基底偏压调节为－40V，沉积45min后结束。制备的抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层由CrAlTiZrY高熵合金粘结层、α-Cr2O3氧化物模板层、α-Al2O3氧化物核心层、AlTiON氮氧化物衔接层和AlTiN氮化物表层共五个子层组成，各个子层之间以及涂层与基底结合稳固，在干式切削条件下具有良好的抗月牙洼磨损性能。
实施例4
将清洁的金属陶瓷基底装入等离子体增强复合式离子镀膜系统的真空室中，待背底真空抽至0.05Pa时，打开炉壁的辅助加热装置对基底进行加热，同时打开转动电源使基底不停地转动，加热至基底温度达到380℃；然后向真空室中通入氩气，调节氩气流量保证压强为0.22Pa，然后对基底施加－200V的直流偏压和－350V的脉冲偏压，利用离化的Ar+对基底表面进行刻蚀，刻蚀70min；依次关闭基底偏压、调节氩气流量，保证工作压强为0.18Pa，开启蒸发镀主弧电源进行蒸发镀膜，坩埚上的主弧电流为200A，蒸发原料为Cr0.4Al0.15Ti0.15Zr0.15Y0.15块，蒸发沉积7min；关闭主弧电源，开启Cr电弧靶，靶电流设为75A，向真空室内通入氧气，调节氩气和氧气流量使工作压强为3.2Pa，对基底施加偏压－45V，沉积15min；开启Al电弧靶，靶电流设为95A，然后关闭Cr电弧靶电源，调节气体流量，控制压强为2.3Pa，基底偏压保持不变继续沉积120min；开启AlTi合金电弧靶，靶电流设为115A，然后关闭Al电弧靶电源，关闭氩气、通入氮气，调节气体流量，控制工作压强为2.4Pa，基底偏压继续保持不变，沉积10min；关闭氧气，增加氮气流量使压强保持2.4Pa，靶电流调节为100A，基底偏压保持不变，沉积35min后结束。制备的抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层由CrAlTiZrY高熵合金粘结层、α-Cr2O3氧化物模板层、α-Al2O3氧化物核心层、AlTiON氮氧化物衔接层和AlTiN氮化物表层共五个子层组成，各个子层之间以及涂层与基底结合稳固，在干式切削条件下具有良好的抗月牙洼磨损性能。

Claims (8)

1.一种抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层，其特征在于，涂层是由高熵合金粘结层、氧化物模板层、氧化物核心层、氮氧化物衔接层、氮化物表层五个子层构成的整体，这五个子层的顺序是由内至外，涂层总厚度为1～3.5μm。
2.根据权利要求1所述的一种抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层，其特征在于，所述高熵合金粘结层为CraAlbTicZrdYe，a+b+c+d+e=1，a、b、c、d、e的取值范围为0.15～0.4，厚度为50～200nm。
3.根据权利要求1所述的一种抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层，其特征在于，所述氧化物模板层为α-Cr2O3，厚度为100～300nm。
4.根据权利要求1所述的一种抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层，其特征在于，所述氧化物核心层为α-Al2O3，厚度为500～2000nm。
5.根据权利要求1所述的一种抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层，其特征在于，所述氮氧化物衔接层为AlTiON，厚度为50～200nm。
6.根据权利要求1所述的一种抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层，其特征在于，所述氮化物表层为AlTiN，厚度为300～800nm。
7.一种权利要求1～6任意一项所述的抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、将清洁的基底材料装入涂层设备真空室中，抽真空并加热；
B、对基底表面进行离子刻蚀；
C、利用电弧蒸镀工艺制备高熵合金粘结层；
D、利用阴极电弧镀膜工艺制备氧化物模板层；
E、利用阴极电弧镀膜工艺制备氧化物核心层；
F、利用阴极电弧镀膜工艺制备氮氧化物衔接层；
G、利用阴极电弧镀膜工艺制备氮化物表层。
8.根据权利要求7所述的抗月牙洼磨损的氮化铝钛/氧化铝复合涂层的制备方法，其进一步特征在于，步骤A中，所述抽真空并加热是先将背底真空抽至0.05Pa及以下时，打开炉壁的辅助加热装置对基底进行加热，同时打开机架转动电源使基底在真空室内进行自转和公转运动，至基底温度达到380℃；步骤B中，所述离子刻蚀是向真空室中通入氩气，调节氩气流量保证压强为0.1～0.25Pa，然后对基底施加－100～－200V的直流偏压和－200～－400V的脉冲偏压，利用离化的Ar+对基底表面进行刻蚀，刻蚀30～90min；步骤C中，所述电弧蒸镀工艺制备高熵合金粘结的工作压强为0.1～0.2Pa，蒸镀坩埚上通过的电弧电流为180～220A，蒸镀坩埚内放置的材料为CraAlbTicZrdYe高熵合金， a+b+c+d+e=1，a、b、c、d、e的取值范围为0.15～0.4，蒸镀时间为5～10min；步骤D中，所述阴极电弧镀膜工艺制备氧化物模板层的工作气体为Ar+O2，工作压强为1.5～3.5Pa，工作靶材为Cr电弧靶，靶电流为50～100A，基底施加的偏压为－30～－90V，沉积时间8～20min；步骤E中，所述阴极电弧镀膜工艺制备氧化物核心层的工作气体为Ar+O2，工作压强为1.0～3.0Pa，工作靶材为Al电弧靶，靶电流为80～120A，基底施加的偏压为－30～－90V，沉积时间40～150min；步骤F中，所述阴极电弧镀膜工艺制备氮氧化物衔接层的工作气体为O2+N2，工作压强为1.0～3.0Pa，工作靶材为AlTi合金电弧靶，靶电流为80～120A，基底施加的偏压为－30～－90V，沉积时间8～15min；步骤G中，所述阴极电弧镀膜工艺制备氮化物表层的工作气体为N2，工作压强为1.5～3.5Pa，工作靶材为AlTi合金电弧靶，靶电流为80～120A，基底施加的偏压为－30～－90V，沉积时间20～45min。
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