CN113913747A - 涂层及其制备方法和器具 - Google Patents

涂层及其制备方法和器具 Download PDF

Info

Publication number
CN113913747A
CN113913747A CN202111125569.7A CN202111125569A CN113913747A CN 113913747 A CN113913747 A CN 113913747A CN 202111125569 A CN202111125569 A CN 202111125569A CN 113913747 A CN113913747 A CN 113913747A
Authority
CN
China
Prior art keywords
coating
phase
substrate
preparing
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111125569.7A
Other languages
English (en)
Inventor
林海天
李立升
郑礼伟
陈松
杨恺
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dongguan Huasheng Vacuum Plated Film Technology Co ltd
Original Assignee
Dongguan Huasheng Vacuum Plated Film Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dongguan Huasheng Vacuum Plated Film Technology Co ltd filed Critical Dongguan Huasheng Vacuum Plated Film Technology Co ltd
Priority to CN202111125569.7A priority Critical patent/CN113913747A/zh
Publication of CN113913747A publication Critical patent/CN113913747A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C23C14/0652—Silicon nitride
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/02—Pretreatment of the material to be coated
    • C23C14/021—Cleaning or etching treatments
    • C23C14/022—Cleaning or etching treatments by means of bombardment with energetic particles or radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0641—Nitrides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/32—Vacuum evaporation by explosion; by evaporation and subsequent ionisation of the vapours, e.g. ion-plating
    • C23C14/325—Electric arc evaporation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering

Abstract

本发明公开了一种涂层及其制备方法和器具，包括用于与基底接触的第一涂层以及层叠在第一涂层之上的第二涂层，其中，第一涂层的组分以原子数量百分比含量计包括47％～53％的Cr以及47％～53％的N；第二涂层的组分以原子数量百分比含量计包括25％～40％的Cr、4％～15％的Si、1％～10％的Ni以及45％～55％的N，涂层中作为主要支撑的第二涂层，非晶α‑Si3N4相能够阻碍位错的滑动及晶粒的相对滑移，并有效阻挡氧元素向涂层内部扩散，金属Ni相可以吸收塑性变形功和断裂功，双层涂层间纳米结构的复合，使涂层保证硬度较高以及断裂韧性较好的同时，也具有优异的抗高温氧化性、高温稳定性以及高温耐磨性。

Description

涂层及其制备方法和器具
技术领域
本发明涉及金属合金材料领域，特别是涉及一种涂层及其制备方法和器具。
背景技术
刀具切削加工技术的发展对刀具的材料和性能提出了更高的要求，干式、高速以及高精度切削已成为刀具切削发展的重要方向。传统方法通过在刀具表面沉积硬质涂层成为改善和提高刀具切削性能的重要途径。CrN镀膜作为常用的硬质涂层具有高硬度、抗氧化性以及耐腐蚀等特性。而利用电弧离子镀制备的CrN膜内应力低、韧性好以及耐磨性好的同时，还具有精细晶粒结构、结合力强、化学稳定性高以及700℃以下良好的热稳定性。虽然CrN膜不但可作为耐磨涂层和切削工具的表面强化，而且在表面防腐和装饰等许多工业领域也有重要用途，但是CrN的使用温度一般在900℃左右，刀具在干式高速切削会带来刀具表面温度达到950℃甚至1000℃以上，限制了该涂层刀具的使用。
发明内容
基于此，有必要提供一种在保证较好韧性以及硬度的同时还具有良好的抗高温氧化性、高温稳定性以及高温耐磨性的涂层及其制备方法和器具。
本发明提供一种涂层，包括用于与基底接触的第一涂层以及层叠在所述第一涂层之上的第二涂层，所述第二涂层包括非晶α-Si3N4相、CrN相与金属Ni相，所述非晶α-Si3N4相与金属Ni相包裹所述CrN相；其中，
所述第一涂层的组分以原子数量百分比含量计包括47％～53％的Cr以及47％～53％的N；
所述第二涂层的组分以原子数量百分比含量计包括25％～40％的Cr、4％～15％的Si、1％～10％的Ni以及45％～55％的N。
在其中一个实施例中，所述第一涂层的厚度为0.2μm～1μm。
在其中一个实施例中，所述第二涂层的厚度为1.5μm～10μm。
本发明还进一步提供一种如上述的涂层的制备方法，包括以下步骤：
S10：按照所述第一涂层的组分配制原料，在所述基底上制备第一涂层；
S20：按照所述第二涂层的组分配制原料，在所述第一涂层的表面上制备第二涂层，其中，所述第二涂层包括非晶α-Si3N4相、CrN相与金属Ni相，所述非晶α-Si3N4相与金属Ni相包裹所述CrN相。
在其中一个实施例中，制备第一涂层的方法与制备第二涂层的方法各自独立地选自电弧离子镀和磁控溅射中的至少一种。
在其中一个实施例中，在步骤S10中，包括在氮气气氛下，调整气压在0.8Pa～8.0Pa，基底偏压为-20V～-300V，对Cr靶材进行电弧离子镀，靶材电流为80A～250A，利用制备所述第一涂层。
在其中一个实施例中，在步骤S20中，包括在氮气气氛下，调整气压在1.5Pa～6.0Pa，基体偏压为-20～-200V，对CrSiNi靶材进行电弧离子镀靶材电流为80A～200A，制备所述第二涂层。
在其中一个实施例中，在步骤S20中，包括在氮气气氛下，调整气压在1.0～8.0Pa，基体偏压为-20V～-200V，对CrSiNi合金靶材进行高功率脉冲磁控溅射，电源功率为1kW～10kW，峰值电压为800V～900V，高功率频率为50kHz～70kHz，制备所述第二涂层。
在其中一个实施例中，在步骤S10之前还包括对所述基底进行离子轰击清洗的步骤：包括通入氩气，调整气压为0.1Pa～1.5Pa，调整基底偏压为-50V～-300V，利用电弧增强辉光放电电源或者离子源电源，对基底表面进行氩离子刻蚀。
进一步地，本发明还提供一种器具，包括基底，以及附着在所述基底表面的如上述的涂层。
上述依次形成的第一涂层与第二涂层的复合结构中第一涂层作为过渡层，可以促进涂层与工件等基底间的结合，作为主要支撑的第二涂层主要由非晶α-Si3N4相、CrN相与金属Ni相组成，其中非晶α-Si3N4相与金属Ni相作为界面相包裹在纳米晶相CrN的周围，形成纳米复合结构。非晶α-Si3N4相能够阻碍位错的滑动及晶粒的相对滑移，并有效阻挡氧元素向涂层内部扩散，金属Ni相可以起到吸收塑性变形功和断裂功的作用，增强涂层的断裂韧性。此外通过双层涂层间纳米结构的复合，使涂层保证硬度较高以及断裂韧性较好的同时，也具有优异的抗高温氧化性、高温稳定性以及高温耐磨性。
具体实施方式
本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。在本发明的描述中，“若干”的含义是至少一个，例如一个，两个等，除非另有明确具体的限定。
本发明中的词语“优选地”、更优选地”等是指，在某些情况下可提供某些有益效果的本发明实施方案。然而，在相同的情况下或其他情况下，其他实施方案也可能是优选的。此外，对一个或多个优选实施方案的表述并不暗示其他实施方案不可用，也并非旨在将其他实施方案排除在本发明的范围之外。
当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。
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。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明提供一种涂层，包括用于与基底接触的第一涂层以及层叠在第一涂层之上的第二涂层，第二涂层包括非晶α-Si3N4相、CrN相与金属Ni相，非晶α-Si3N4相与金属Ni相包裹CrN相。
其中，第一涂层的组分以原子数量百分比含量计包括47％～53％的铬以及47％～53％的氮，
第二涂层的组分以原子数量百分比含量计包括25％～40％的铬、4％～15％的硅、1％～10％的镍以及45％～55％的氮。
可以理解地，上述基底可以但不限于是如刀具以及模具等金属工件。
优选地，第一涂层的组成以原子数量百分比含量计由包括48％～52％的铬以及48％～52％的氮组成，
第二涂层的组成以原子数量百分比含量计由包括30％～38％的铬、6％～10％的硅、2％～7％的镍以及48％～53％的氮组成。
在一个具体示例中，第一涂层的厚度为0.2μm～1μm，第二涂层的厚度为1.5μm～10μm。
进一步地，第一涂层的厚度为0.3μm～0.6μm。
具体地，第一涂层的厚度可以但不限于是0.3μm、0.4μm、0.5μm或0.6μm。
更进一步地，第二涂层的厚度为3μm～7μm。
具体地，第二涂层的厚度可以但不限于是3μm、4μm、5μm、6μm或7μm。
上述依次形成的第一涂层与第二涂层的复合结构中第一涂层作为过渡层，可以促进涂层与工件等基底间的结合，作为主要支撑的第二涂层主要由非晶α-Si3N4相、CrN相与金属Ni相组成，其中非晶α-Si3N4相与金属Ni相作为界面相包裹在纳米晶相CrN的周围，形成纳米复合结构。非晶α-Si3N4相能够阻碍位错的滑动及晶粒的相对滑移，并有效阻挡氧元素向涂层内部扩散，金属Ni相可以起到吸收塑性变形功和断裂功的作用，增强涂层的断裂韧性。此外通过双层涂层间纳米结构的复合，使涂层保证硬度较高以及断裂韧性较好的同时，也具有优异的抗高温氧化性、高温稳定性以及高温耐磨性。
本发明还提供一种涂层的制备方法，包括以下步骤：
步骤S10：按照第一涂层的组分配制原料，在基底上制备第一涂层；
步骤S20：按照第二涂层的组分配制原料，在第一涂层的表面上制备第二涂层，其中，第二涂层包括非晶α-Si3N4相、CrN相与金属Ni相，非晶α-Si3N4相与金属Ni相包裹所述CrN相。
在一个具体示例中，制备第一涂层的方法与制备第二涂层的方法各自独立地选自电弧离子镀和磁控溅射的中的至少一种。
在一个具体示例中，在步骤S10中，是在氮气气氛下电镀Cr靶材，制备含有铬以及氮的第一涂层；和/或
在步骤S20中，是在氮气气氛下电镀CrSiNi合金靶材，制备含有硅、铬、镍以及氮的第二涂层。
进一步地，制备第一涂层的时间为10min～40min。
可以理解地，制备第一涂层的时间可以但不限于是10min、15min、20min、25min、30min、35min或40min。
在一个具体示例中，在步骤S10中制备第一涂层的气压为1.5Pa～6.0Pa。
优选地，在步骤S10中制备第一涂层的气压为2Pa～5Pa，具体地，上述气压可以但不限于是2Pa、3Pa、4Pa或5Pa。
具体来说，制备第一涂层CrN过渡层包括将基底偏压调至-20V～-300V，通入氮气，气压控制在0.8Pa～8.0Pa，开启Cr靶弧源，靶材电流为80A～250A，沉积CrN层10分钟～40分钟，得到CrN层形成的第一涂层作为过渡层。
进一步地，制备第一涂层CrN过渡层包括将基底偏压调至-20V～-200V，通入氮气，气压控制在1.5Pa～6.0Pa，开启Cr靶弧源，靶材电流为80A～200A，沉积CrN层10分钟～40分钟，得到CrN层形成的第一涂层作为过渡层。
在一个具体示例中，制备第二涂层的时间为1h～10h。
进一步地，在步骤S20中制备第二涂层的气压为1.5Pa～6.0Pa。
优选地，上述气压可以但不限于是1.5Pa、2Pa、2.5Pa、3Pa、3.5Pa、4Pa、4.5Pa、5Pa、5.5Pa或6Pa。
具体地，制备第二涂层CrSiNiN功能层可以包括通入氮气并调整气压在1.5Pa～6.0Pa，打开CrSiNi合金靶的电弧靶电源，靶材电流为80A～200A，基体偏压为-20～-200V，制备时间为1h～4h沉积得到CrSiNiN层的第二涂层，与第一涂层一起作为复合涂层。
和/或，制备第二涂层CrSiNiN功能层包括通入氮气并调整气压在1.0～8.0Pa，打开CrSiNi合金靶的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)靶电源，CrSiNi合金靶HiPIMS靶电源功率为1kW～10kW，峰值电压为800V～900V，高功率频率为50kHz～70kHz，基体偏压为-20V～-200V，制备时间为1h～10h沉积得到CrSiNiN纳米复合功能层。
优选地，制备第二涂层CrSiNiN功能层可以包括通入氮气并调整气压在2.0～5.0Pa，打开CrSiNi合金靶的电弧靶电源，靶材电流为150A～230A，调整基底转架台转速为1rpm～5rpm进行公转，基体偏压为-20～-250V，制备时间为1h～5h沉积得到CrSiNiN层的第二涂层，与第一涂层一起作为复合涂层。
和/或，制备第二涂层CrSiNiN功能层包括通入氮气并调整气压在2.0Pa～5.0Pa，打开CrSiNi合金靶的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)靶电源，CrSiNi合金靶HiPIMS靶电源功率为1kW～10kW，基体偏压为-50V～-150V，调整基底转架台转速为1rpm～5rpm进行公转，制备时间为3h～6h沉积得到CrSiNiN纳米复合功能层。
在一个具体示例中，在步骤S10前还包括对基底进行前处理的步骤。
在一个具体示例中，对基底进行前处理步骤包括对基底表面抛光，清洗抛光后的工件并烘干以及离子刻蚀的步骤。
具体来说，清洗使用的有机溶剂可以但不限于是丙酮和乙醇中的至少一种。
清洗时间为5分钟～20分钟，清洗时间可以但不限于是5分钟、10分钟、15分钟或20分钟。可以理解地，为了提高清洗效果，可以利用超声进行清洗。
进一步地，在清洗基底之后制备第一涂层之前还包括对清洗并烘干后的基底进行离子刻蚀，离子刻蚀的步骤包括利用稳定态离子对烘干后的基底进行刻蚀20分钟～60分钟。
离子刻蚀的具体步骤为：对镀膜设备真空室抽真空，使本底真空度达到1.0×10-3～1.0×10-2Pa；打开真空室内加热器将真空室内温度升高至300℃～580℃；然后通入氩气，气压调整为0.1Pa～1.5Pa，打开工件转架台偏压电源并设置为-50V～-300V，然后开启电弧增强辉光放电电源或者离子源电源，对工件表面进行氩离子刻蚀20分钟～60分钟。
优选地，刻蚀时间为30分钟～60分钟。具体地上述刻蚀时间可以但不限于是30分钟、35分钟、40分钟、45分钟、50分钟、55分钟或60分钟。
可以理解地，本发明的涂层制备方法具体如下：
清洗：将经过抛光处理的工件进行清洗，然后依次用有机溶剂超声清洗，干燥后装入镀膜设备真空室内；
离子刻蚀：对镀膜设备真空室抽真空，打开真空室内加热器将真空室内温度升高；然后通入氩气，调整气压，打开工件转架台偏压电源，然后开启电弧增强辉光放电电源，对工件表面进行氩离子刻蚀；
制备第一涂层CrN过渡层：调节工作电压，通入氮气，控制气压，开启Cr靶弧源，沉积CrN层，得到CrN层；
制备第二涂层CrSiNiN功能层：通入氮气并调整气压，打开CrSiNi合金靶的电弧靶电源，调节靶材电流和基体偏压，沉积得到CrSiNiN层；和/或
通入氮气并调整气压，打开CrSiNi合金靶的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)靶电源，设置CrSiNi合金靶HiPIMS靶电源功率以及基体偏压，沉积得到CrSiNiN层；
沉积结束后自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开真空室取出工件，镀膜过程结束。
本发明还更进一步地提供一种器具，包括基底，以及附着在所述基底表面的如上述的涂层
可以理解地，上述器具包括但不限于是刀具、模具或机械零部件。
以下提供具体的实施例对本发明的涂层及其制备方法作进一步详细地说明。以下具体实施方式所涉及到的原料，若无特殊说明，均可来源于市售。
实施例1
本实施例提供一种涂层，由CrN层形成的过渡层以及CrSiNiN纳米复合功能层组成。其中CrN层中各元素的原子百分比含量为Cr为47％，N：53％；CrSiNiN层中各元素的原子百分比含量为：Cr为32％，Si为10％，Ni为7％，N为51％。
上述涂层的制备方法具体为：将待涂覆工件作为本实施例的基底，将经过抛光处理的工件放入超声清洗机，然后依次用丙酮和酒精超声清洗15分钟，再用热风吹干后装入镀膜设备真空室内；将镀膜设备真空室抽真空，使本底真空度达到6.0×10-3Pa以下；打开真空室内加热器将真空室内温度升高至500℃；然后通入氩气，气压调整为0.4Pa，打开工件转架台偏压电源并设置为-210V，然后开启电弧增强辉光放电电源，对基体表面进行氩离子刻蚀45min；将基体偏压调至-100V，通入氮气，气压控制在3.0Pa，开启Cr靶弧源，Cr靶弧流为140A，沉积23min，得到CrN层形成的过渡层；调整氮气流量将真空室气压调整为3.8Pa，打开CrSiNi合金靶的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)靶电源，调整工件转架台转速为3rpm，使工件转架台开始公转，高功率CrSiNi合金靶功率为8kW，峰值电压为850V，高功率频率为60kHz，基体偏压为-70V，沉积时间为5小时；沉积结束后自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开真空室取出工件，镀膜过程结束。
所得工件上第一涂层的厚度为0.55μm，第二涂层的厚度为5.1μm。整个复合涂层的硬度为32GPa，韧性为1.396MPa·m1/2，800℃时的硬度为30.9GPa，600℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.48，抗高温氧化温度为1050℃。
实施例2
本实施例提供一种复合涂层，由CrN层形成的过渡层以及CrSiNiN纳米复合功能层组成。其中CrN层中各元素的原子百分比含量为Cr为50％，N：50％；CrSiNiN层中各元素的原子百分比含量为：Cr为25％，Si为15％，Ni为10％，N为50％。
上述涂层的制备方法具体为：将待涂覆工件作为本实施例的基底，将经过抛光处理的工件放入超声清洗机，然后依次用丙酮和酒精超声清洗15分钟，再用热风吹干后装入镀膜设备真空室内；将镀膜设备真空室抽真空，使本底真空度达到5.4×10-3Pa以下；打开真空室内加热器将真空室内温度升高至520℃；然后通入氩气，气压调整为0.45Pa，打开工件转架台偏压电源并设置为-220V，然后开启电弧增强辉光放电电源，对基体表面进行氩离子刻蚀50min；将基体偏压调整为-100V；通入氮气，气压控制在4.4Pa，开启Cr靶弧源，Cr靶弧流为160A，沉积25min，得到CrN层形成的过渡层；调整氮气流量将真空室气压调整为4.5Pa，打开CrSiNi合金靶的电弧靶电源，CrSiNi合金靶弧流为190A，调整工件转架台转速为3rpm，使工件转架台开始公转，沉积时间为2.5小时；沉积结束后自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开真空室取出工件，镀膜过程结束。
所得工件上第一涂层的厚度为0.55μm，第二涂层的厚度为5.1μm。整个复合涂层的硬度为34GPa，韧性为1.507MPa·m1/2，800℃时的硬度为32.8GPa，600℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.5，抗高温氧化温度为1030℃。
实施例3
本实施例提供一种复合涂层，由CrN层形成的过渡层以及CrSiNiN纳米复合功能层组成。其中CrN层中各元素的原子百分比含量为Cr为51％，N：49％；CrSiNiN层中各元素的原子百分比含量为：Cr为40％，Si为5％，Ni为2％，N为53％。
上述涂层的制备方法具体为：将待涂覆工件作为本实施例的基底，将经过抛光处理的工件放入超声清洗机，然后依次用丙酮和酒精超声清洗15分钟，再用热风吹干后装入镀膜设备真空室内；将镀膜设备真空室抽真空，使本底真空度达到6.3×10-3Pa以下；打开真空室内加热器将真空室内温度升高至490℃；然后通入氩气，气压调整为0.8Pa，打开工件转架台偏压电源并设置为-200V，然后开启电弧增强辉光放电电源，对基体表面进行氩离子刻蚀50min；将基体偏压调至-160V，通入氮气，气压控制在2.8Pa，开启Cr靶弧源，Cr靶弧流为130A，沉积20min，得到CrN层形成的过渡层；调整氮气流量将真空室气压调整为3.5Pa，打开CrSiNi合金靶的电弧靶电源，CrSiNi合金靶弧流为170A，调整工件转架台转速为3rpm，使工件转架台开始公转，沉积时间为3小时；沉积结束后自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开真空室取出工件，镀膜过程结束。
所得工件上第一涂层的厚度为0.55μm，第二涂层的厚度为5.1μm。整个复合涂层的硬度为30GPa，韧性为1.244MPa·m1/2，800℃时的硬度为28.8GPa，600℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.55，抗高温氧化温度为1010℃。
实施例4
本实施例提供一种复合涂层，由CrN层形成的过渡层以及CrSiNiN纳米复合功能层组成。其中CrN层中各元素的原子百分比含量为Cr为49％，N：51％；CrSiNiN层中各元素的原子百分比含量为：Cr为30％，Si为12％，Ni为3％，N为55％。
上述涂层的制备方法具体为：将待涂覆工件作为本实施例的基底，将经过抛光处理的工件放入超声清洗机，然后依次用丙酮和酒精超声清洗15分钟，再用热风吹干后装入镀膜设备真空室内；将镀膜设备真空室抽真空，使本底真空度达到5.3×10-3Pa以下；打开真空室内加热器将真空室内温度升高至510℃；然后通入氩气，气压调整为0.46Pa，打开工件转架台偏压电源并设置为-220V，然后开启电弧增强辉光放电电源，对基体表面进行氩离子刻蚀40min；将基体偏压调至-110V，通入氮气，气压控制在3.4Pa，开启Cr靶弧源，Cr靶弧流为160A，沉积20min，得到CrN层形成的过渡层；调整氮气流量将真空室气压调整为3.9Pa，打开CrSiNi合金靶的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)靶电源，调整工件转架台转速为3rpm，使工件转架台开始公转，高功率CrSiNi合金靶功率为9kW，峰值电压为850V，高功率频率为60kHz，基体偏压为-70V，沉积时间为4.5小时；沉积结束后自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开真空室取出工件，镀膜过程结束。
所得工件上第一涂层的厚度为0.45μm，第二涂层的厚度为3.9μm。整个复合涂层的硬度为34GPa，韧性为1.112MPa·m1/2，800℃时的硬度为32.8GPa，600℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.52，抗高温氧化温度为1040℃。
对比例1
本对比例与实施例1相比，仅制备CrN层。其中CrN层中各元素的原子百分比含量为Cr为47％，N：53％。
所得工件上CrN涂层的厚度为0.55μm。整个涂层的硬度为20GPa，韧性为1.886MPa·m1/2，800℃时的硬度为18.9GPa，600℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.59，抗高温氧化温度为880℃。
本对比例与实施例1相比，由于去掉了功能层，涂层硬度和高温硬度明显降低，韧性明显增加，高温摩擦因数明显增加，抗高温氧化温度明显降低。
对比例2
本对比例与实施例1相比，仅在功能层中去掉了Si元素。
本对比例提供一种CrNiN纳米复合涂层，由CrN层形成的过渡层以及CrNiN纳米复合功能层组成。其中CrN层中各元素的原子百分比含量为Cr为47％，N：53％；CrSiNiN层中各元素的原子百分比含量为：Cr为42％，Ni为7％，N为51％。
所得工件上第一涂层的厚度为0.55μm，第二涂层的厚度为5.3μm。整个复合涂层的硬度为16GPa，韧性为1.782MPa·m1/2，800℃时的硬度为14.9GPa，600℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.45，抗高温氧化温度为850℃。
本对比例与实施例1相比，在功能层中去掉了Si元素，所得涂层硬度和高温硬度明显降低，韧性明显增加，高温摩擦因数略有降低，抗高温氧化温度明显降低。
对比例3
本对比例与实施例1相比，改变了功能层中Si和Ni的含量。本对比例提供一种CrSiNiN纳米复合涂层，由CrN层形成的过渡层以及CrSiNiN纳米复合功能层组成。其中CrN层中各元素的原子百分比含量为Cr为47％，N：53％；CrSiNiN层中各元素的原子百分比含量为：Cr为33％，Si为15％，Ni为1％，N为51％。
所得工件上第一涂层的厚度为0.55μm，第二涂层的厚度为5.0μm。整个复合涂层的硬度为36GPa，韧性为1.051MPa·m1/2，800℃时的硬度为34.9GPa，600℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.67，抗高温氧化温度为1060℃。
本实施例与实施例1相比，改变了功能层中Si和Ni的含量，所得测试结果与实施例1相比，涂层硬度和高温硬度有所增加，高温摩擦因数明显升高，涂层韧性明显降低，抗高温氧化温度略有升高。与实施例1相比，本对比例尽管只是调整了功能层中的Si和Ni元素含量，但是由于其含量不是出于优化状态，所得涂层韧性明显降低，高温摩擦因数明显升高，大大降低了工件的通用性。
对比例4
本对比例与实施例1相比，仅改变了功能层沉积过程中的高功率CrSiNi合金靶功率与峰值电压。
本对比例提供一种涂层，由CrN层形成的过渡层以及CrSiNiN纳米复合功能层组成。其中CrN层中各元素的原子百分比含量为Cr为47％，N：53％；CrSiNiN层中各元素的原子百分比含量为：Cr为34％，Si为10％，Ni为7％，N为51％。
上述涂层的制备方法具体为：将待涂覆工件作为本实施例的基底，将经过抛光处理的工件放入超声清洗机，然后依次用丙酮和酒精超声清洗15分钟，再用热风吹干后装入镀膜设备真空室内；将镀膜设备真空室抽真空，使本底真空度达到6.0×10-3Pa以下；打开真空室内加热器将真空室内温度升高至500℃；然后通入氩气，气压调整为0.4Pa，打开工件转架台偏压电源并设置为-210V，然后开启电弧增强辉光放电电源，对基体表面进行氩离子刻蚀45min；将基体偏压调至-100V，通入氮气，气压控制在3.0Pa，开启Cr靶弧源，Cr靶弧流为140A，沉积23min，得到CrN层形成的过渡层；调整氮气流量将真空室气压调整为3.8Pa，打开CrSiNi合金靶的高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)靶电源，调整工件转架台转速为3rpm，使工件转架台开始公转，高功率CrSiNi合金靶功率为4kW，峰值电压为650V，高功率频率为60kHz，基体偏压为-70V，沉积时间为5小时；沉积结束后自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开真空室取出工件，镀膜过程结束。
所得工件上第一涂层的厚度为0.55μm，第二涂层的厚度为4.3μm。整个复合涂层的硬度为29GPa，韧性为1.418MPa·m1/2，800℃时的硬度为28.1GPa，600℃高温下与Al2O3球的摩擦因数为0.50，抗高温氧化温度为1020℃。
本实施例与实施例1相比，仅改变了功能层沉积过程中的高功率CrSiNi合金靶功率与峰值电压。所得测试结果与实施例1相比，涂层硬度和高温硬度有所降低，高温摩擦因数略有升高，涂层韧性略有增加，抗高温氧化温度略有降低。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种涂层，其特征在于，包括用于与基底接触的第一涂层以及层叠在所述第一涂层之上的第二涂层，所述第二涂层包括非晶α-Si3N4相、CrN相与金属Ni相，所述非晶α-Si3N4相与金属Ni相包裹所述CrN相；其中，
所述第一涂层的组分以原子数量百分比含量计包括47％～53％的Cr以及47％～53％的N；
所述第二涂层的组分以原子数量百分比含量计包括25％～40％的Cr、4％～15％的Si、1％～10％的Ni以及45％～55％的N。
2.如权利要求1所述的涂层，其特征在于，所述第一涂层的厚度为0.2μm～1μm。
3.如权利要求1或2所述的涂层，其特征在于，所述第二涂层的厚度为1.5μm～10μm。
4.一种如权利要求1～3任一项所述的涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：按照所述第一涂层的组分配制原料，在所述基底上制备第一涂层；
S20：按照所述第二涂层的组分配制原料，在所述第一涂层的表面上制备第二涂层，其中，所述第二涂层包括非晶α-Si3N4相、CrN相与金属Ni相，所述非晶α-Si3N4相与金属Ni相包裹所述CrN相。
5.如权利要求4所述的制备方法，其特征在于，制备第一涂层的方法与制备第二涂层的方法各自独立地选自电弧离子镀和磁控溅射中的至少一种。
6.如权利要求5所述涂层的制备方法，其特征在于，在步骤S10中，包括在氮气气氛下，调整气压在0.8Pa～8.0Pa，基底偏压为-20V～-300V，对Cr靶材进行电弧离子镀，靶材电流为80A～250A，利用制备所述第一涂层。
7.如权利要求5所述涂层的制备方法，其特征在于，在步骤S20中，包括在氮气气氛下，调整气压在1.5Pa～6.0Pa，基体偏压为-20～-200V，对CrSiNi靶材进行电弧离子镀靶材电流为80A～200A，制备所述第二涂层。
8.如权利要求5所述涂层的制备方法，其特征在于，在步骤S20中，包括在氮气气氛下，调整气压在1.0～8.0Pa，基体偏压为-20V～-200V，对CrSiNi合金靶材进行高功率脉冲磁控溅射，电源功率为1kW～10kW，峰值电压为800V～900V，高功率频率为50kHz～70kHz，制备所述第二涂层。
9.如权利要求4～8任一项所述涂层的制备方法，其特征在于，在步骤S10之前还包括对所述基底进行离子轰击清洗的步骤：包括通入氩气，调整气压为0.1Pa～1.5Pa，调整基底偏压为-50V～-300V，利用电弧增强辉光放电电源或者离子源电源，对基底表面进行氩离子刻蚀。
10.一种器具，其特征在于，包括基底，以及附着在所述基底表面的如权利要1～3任一项所述的涂层。
CN202111125569.7A 2021-09-24 2021-09-24 涂层及其制备方法和器具 Pending CN113913747A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111125569.7A CN113913747A (zh) 2021-09-24 2021-09-24 涂层及其制备方法和器具

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111125569.7A CN113913747A (zh) 2021-09-24 2021-09-24 涂层及其制备方法和器具

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113913747A true CN113913747A (zh) 2022-01-11

Family

ID=79235846

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111125569.7A Pending CN113913747A (zh) 2021-09-24 2021-09-24 涂层及其制备方法和器具

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113913747A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115198232A (zh) * 2022-05-31 2022-10-18 西安交通大学 一种高韧性抗冲蚀涂层及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109778119A (zh) * 2019-01-09 2019-05-21 南京航空航天大学 一种Ni-CrSiN耐磨耐蚀涂层及其制备方法
CN110512173A (zh) * 2019-08-22 2019-11-29 广东工业大学 一种复合涂层及用于压铸模具的无钛pvd涂层+表面氧化同步处理方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109778119A (zh) * 2019-01-09 2019-05-21 南京航空航天大学 一种Ni-CrSiN耐磨耐蚀涂层及其制备方法
CN110512173A (zh) * 2019-08-22 2019-11-29 广东工业大学 一种复合涂层及用于压铸模具的无钛pvd涂层+表面氧化同步处理方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115198232A (zh) * 2022-05-31 2022-10-18 西安交通大学 一种高韧性抗冲蚀涂层及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109504940B (zh) 一种周期性纳米多层结构的AlCrN/AlCrSiNiN涂层及其制备方法和应用
CN109161841B (zh) 一种AlCrN/AlCrSiN超硬纳米复合多层涂层及其制备方法和应用
CN101698933B (zh) 一种多元Ti-Al-N系纳米复合多层涂层及其制备方法
CN109023361B (zh) 梯度涂层刀具及其制备方法
WO2012000401A1 (en) Composite structure and method of preparing the same
CN107557736A (zh) 一种AlCrSiVN纳米复合涂层及其制备方法
CN107858684B (zh) 金属-类金刚石复合涂层及其制备方法与用途以及涂层工具
CN107740053B (zh) 一种AlCrSiN/VSiN纳米多层涂层及其制备方法
CN113913747A (zh) 涂层及其制备方法和器具
CN101294284A (zh) 一种耐冲蚀抗疲劳等离子表面复合强化方法
CN113174570B (zh) 一种高韧性TiAlNiN涂层及其制备方法和应用
CN113913746A (zh) 涂层及其制备方法和器具
CN111378947B (zh) 一种类金刚石薄膜的制备方法
CN112689688B (zh) 一种钛合金和高温合金加工用的涂层刀具及其制备方法
CN111304612B (zh) 具有高硬度和高抗氧化性能的CrAlN/AlN纳米多层涂层及其制备方法
CN114059023B (zh) 涂层及其制备方法和器具
CN110438461B (zh) 一种TiBx/Cr（x=1.9~3.5）抗氧化多层涂层的制备方法
JP5720996B2 (ja) 皮膜密着性に優れた被覆部材およびその製造方法
CN113652636B (zh) TiAlSiBNiN纳米复合涂层及其制备方法和应用
CN107881469B (zh) 类金刚石复合涂层及其制备方法与用途以及涂层工具
CN113652651B (zh) TiAlN/TiSiNiN复合涂层、硬质涂层及其制备方法与应用
CN109252137B (zh) 锆合金表面涂层的制备方法
CN112391593B (zh) 一种高Cr含量、韧性好的CrB2-Cr涂层及其制备工艺
CN111647859B (zh) 一种还原性气氛中Zr-Ti-B-N纳米复合涂层的制备工艺
CN106967977B (zh) 工模具表面复合氮化物涂层制备工艺

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB02 Change of applicant information
CB02 Change of applicant information

Address after: 523835 Room 401 and 501, building 5, No.2 mashanmiao Road, baihuadong, Dalingshan Town, Dongguan City, Guangdong Province

Applicant after: Guangdong Huasheng Nanotechnology Co.,Ltd.

Address before: 523835 Room 401 and 501, building 5, No.2 mashanmiao Road, baihuadong, Dalingshan Town, Dongguan City, Guangdong Province

Applicant before: DONGGUAN HUASHENG VACUUM PLATED FILM TECHNOLOGY CO.,LTD.