CN1576387A - 高耐磨硬质薄膜 - Google Patents

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Abstract

一种高耐磨硬质薄膜，其特征在于它包括：由金属氮化物构成的涂层，它形成在所要处理的物体的外表面上；由Ti或Cr氮化物构成的基底层，它设在涂层和所要处理的物体之间；以及一中间层，它包含有与中间层接触的涂层和基底层的组分，该中间层设在涂层和基底层之间的界面处，并且一种刀具设有该薄膜。提供一种甚至在1000℃或更高温度下也具有优异的抗氧化性并且还具有非常高的耐磨性的硬质薄膜。

Description

高耐磨硬质薄膜
技术领域
本发明涉及一种在高温抗氧化性方面优异的硬质薄膜，通过物理汽相沉积方法将该薄膜形成在基底材料上以大大改善耐磨性。
背景技术
一般来说，已经开发出通过采用例如以离子镀覆法为代表的物理汽相沉积方法在基底材料上形成硬质薄膜。在这些薄膜中，TiN薄膜已经最广泛地投入到实际使用中，并且用于刀具、金属模具和眼镜以及其它零件。但是，由于该薄膜在500℃或更高温度下开始氧化，所以它不能用于暴露于高温的零件、工具、模具等。作为解决这个问题的解决方案，已经研制出TiAlN薄膜。因为抑制了氧化反应，所以该薄膜甚至可以用在高达约800℃的高温下，但是在高于800℃的温度下，和上述TiN薄膜一样，因为受到氧化的削弱所以它难以使用。
另一方面，已经提出采用Al-Cr-N薄膜作为能够在高温下使用的薄膜。该薄膜可以用在高达约1000℃的高温下(参照日本专利临时公开No.10-25566(No.25566/1998))。但是，该薄膜在其粘着性方面存在问题，并且在用于受到高载荷的产品和零件时还存在耐磨性的问题。为了获得具有抗氧化性的硬质薄膜，已经进行研究以改善基于Al-Cr基氮化物的耐磨性。但是，从附着在所要处理的薄膜的粘合力和粘合性能方面看还没有获得具有足够性能的薄膜。
发明概述
为了解决上面的问题，本发明人认真进行研究，从而开发出即使在1000℃或更高温度下也具有优异的抗氧化性并且还具有非常高的耐磨性的硬质薄膜。
因此，本发明人已经发现，可以通过一种层压结构来解决上述问题，其中由表面涂层和基底层的组分形成的中间层设在表面涂层和基底层之间的界面处。本发明是从这一点上作出的。
因此，本发明提供了一种高耐磨硬质薄膜，它包括：由金属氮化物构成的涂层，它形成在所要处理的物体的外表面上；由Ti或Cr氮化物构成的基底层，它设在涂层和所要处理的物体之间；以及一中间层，它包含有与中间层接触的涂层和基底层的组分，该中间层设在涂层和基底层之间的界面处。该中间层的薄膜厚度通常为0.1至2μm，优选为0.2至1.5μm。
该涂层优选由一金属氮化物形成，其主要成分为Al、Cr和Si，并且金属成分的组成优选为20-75at.％Cr、1-30at.％Si、衡量的Al。还有，在基底层的组分与涂层的组分的数量比上，中间层的组分比通常为1∶5至5∶1，优选为1∶3至3∶1。更具体地说，可以引用这样一种情况，例如AlCrSiN(涂层组分)的整个合金成分(AlCrSi)与TiN或CrN(基底层组分)的金属成分的数量比为1∶2至2∶1。
该结构可以如此，涂层为由其中交替地布置有涂层a和涂层b的一层或多层构成的层，其中，涂层a由其主要成分为Al、Cr和Si的氮化物形成，涂层b由其主要成分只是金属成分Ti和Al的氮化物形成，这些金属成分含有25-75at.％(原子百分比)的Al和衡量的Ti，并且最外层由涂层a形成。
作为形成涂层和中间层的方法，可以采用物理汽相沉积方法例如电弧离子电镀方法。根据本发明的硬质薄膜可以适用于刀具例如滚刀、小齿轮铣刀和拉刀的一部分表面或整个表面或金属模具表面的一部分。
附图的简要说明
图1为一剖面图，显示出这样一种状态，其中根据本发明一实施方案的高耐磨硬质薄膜粘附在基底材料的表面上。
图2为一剖视图，显示出这样一种状态，其中两层或多层作为涂层交替地层压在根据本发明的薄膜中。
图3为用于在基底材料上形成根据本发明一实施方案的在耐高温氧化性方面优异的高耐磨硬质薄膜的电弧离子电镀设备的示意图。
在这些附图中的参考标号定义如下：1为电弧离子电镀设备；2为外壳；3为靶；4为真空泵；5为气体源(Ar)；6为气体源(N2)；7为支架；8为马达；9为旋转轴；10为基底材料；11为电源；13至15为控制阀；20为中间层；21为基底层；22为涂层，涂层a；23为涂层b。
优选实施方案的详细说明
下面将对用于实施根据本发明的脱碳方法的实施方案进行说明。本发明并不限于下面所述的实施方案。
下面将参照这些附图对根据本发明的高耐磨硬质薄膜进行说明。
如图1所示，根据本发明的薄膜包括由金属氮化物形成的位于外表面上的涂层22、由Ti或Cr氮化物形成的位于涂层22和作为所要处理的物体的基底材料10之间的基底层21，以及位于涂层22和基底层21之间的界面处包含有这两层的组分的中间层20。
首先，说明形成在外表面上由金属氮化物构成的涂层22。传统的TiAlN薄膜(后面所述的传统实施例1)当用在高温氛围中时在大约800℃下氧化，由此降低了薄膜强度和粘性。对这种氧化状态进行分析，薄膜成分中的Al和Ti被氧化，并且尤其是Ti氧化物多孔并且使得氧很容易进入，从而氧化薄膜变得较厚。因此，薄膜强度和粘性降低，这导致该薄膜分离。另一方面，AlCrN薄膜(后面所述的传统实施例2)使用Cr代替会形成多孔较厚的氧化薄膜的Ti，从而产生出非常薄的氧化薄膜。该氧化薄膜防止随后的氧化，由此改善了抗氧化性。但是，由于Al和Cr的氧化物的粘性较低，所以该薄膜在用于例如受到高载荷的刀具时分离，即该薄膜在耐磨性方面存在问题。
因此，在本发明中，为了防止氧气进入并且提高抗氧化性，在外表面上的涂层22最好由Al、Cr和Si的氮化物形成。由此，晶粒被细分，并且当该薄膜暴露于高温氧化氛围时，所得到的氧化物形成Al-Cr-Si复合氧化薄膜，从而防止了氧气进入，并且可以获得非常致密的复合氧化薄膜。
具体地说，涂层22优选只是由具有20-75at.％Cr、1-30at.％Si以及衡量Al的金属成分形成。硅因为将晶体细分所以在粘性方面具有较大影响，并且该金属成分的1-30at.％的范围在粘性和抗冲击性方面实现了效果。对于铬的含量，该金属成分的20-75at.％Cr在硬度和抗氧化性方面实现了效果。
另一方面，如图2所示，为了进一步提高粘度，涂层22可以为由其中涂层a22和涂层b23交替排列的一层或多层构成的层，涂层a22由其主要成分为Al、Cr和Si的氮化物形成；涂层b23由其主要成分只是金属成分Ti和Al的氮化物形成，这些金属成分含有25-75at.％的Al和衡量的Ti，并且最外层由涂层a形成。对于涂层a22，优选的是氮化物的金属成分含有20-75at.％Cr、1-30at.％Si以及衡量Al。后面所述的与中间层接触的最下面的涂层可以为涂层a22或涂层b23(图2)。在本发明中，最下面的涂层不仅限于a层或b层中的一个。
接下来，在涂层22和基底材料10(所要处理的物体)之间设有对所要处理的物体具有高粘附性的由Ti或Cr氮化物形成的基底层21。基底层21由TiN或CrN形成，从而通过设置基底层21，从而改善了在涂层22和基底材料10(所要处理的物体)之间的粘性。
还有在本发明中，在基底层21和涂层22之间的界面处，设有由这两层的组分形成的中间层20，以提高这两层的粘着力和粘附性能。具体地说，在该涂层22或涂层a22由Al、Cr和Si的氮化物形成时，其中(Al-Cr-Si)N和(Ti)N相互均匀混合的层或其中(Al-Cr-Si)N和(Cr)N相互均匀混合的层形成中间层20。在基底层21的组分与涂层22的组分的数量比上，中间层的组分比通常为1∶5至5∶1，优选为1∶3至3∶1，最优选为1∶2至2∶1。组分的这个数量比在该涂层由(Ti-Al)N形成的情况下与上述涂层b相同。
中间层20的薄膜厚度通常为0.1至2μm，优选为0.2至1.5μm。如果薄膜厚度小于0.1μm，则由该中间层提供的粘附效果不够，并且如果薄膜厚度超过2μm，则中间层的薄膜厚度与整个薄膜厚度的比变大，这从分离的观点看是不理想的。
图3示意性地显示出用于在基底材料表面上形成根据本发明的高耐磨硬质薄膜的电弧离子电镀设备1。该电弧离子电镀设备1具有一气密外壳2，并且设有位于其顶板上的靶3以及位于外壳2的腔室12中的平台状支架7。该支架7通过旋转轴9与马达8连接从而可以沿着圆周方向转动。在靶3和支架7之间连接有一DC电源11。该靶3与电源11的正极连接，并且支架7与其负极连接。图3示意性地显示出这样一种情况，其中设有一个靶3，但是必要时可以设有两个或多个靶3。在该情况中，在离支架7几乎相同的距离处设有两个或多个靶3。
用于将腔室12抽空的真空泵4通过控制阀13与外壳2的腔室12连接，并且用于将惰性气体提供进腔室12的氩气源5通过控制阀14连接。另外，用于向腔室12提供氮气的氮气源6通过控制阀15与腔室12连接。
在该实施方案中，通过控制用于形成在基底材料10上的每一层的靶的数量和种类来形成薄膜。当形成基底层时，使用纯钛(Ti：100％)或纯铬(Cr：100％)作为靶3。当形成中间层时，通常使用多个靶，一个为其金属与基底层相同的靶，另一个为其合金与在外表面上的涂层相同的靶。当形成涂层表面时，使用例如由Al、Cr和Si构成的合金作为靶3。作为基底材料10，例如可以使用高速工具钢SKH-51或碳化物材料TH-10。
将基底材料10安放在支架7上，并且在控制阀13至15中，控制阀13和14打开以将氩气提供进腔室12中并且将腔室12抽空。在已经结束抽空之后并且腔室12已经处于氩气氛围下之后，通过马达8使支架7转动。然后，关闭截止阀13和14并且在靶3和支架7上施加DC电压以产生出等离子，由此提高在腔室12中的温度。当在腔室12中的温度到达固定温度时，控制阀15打开以从氮气源6将氮气提供进腔室12，然后产生出电弧放电。由此，在基底材料10上形成这些层，因此获得在耐高温氧化性方面优异的高耐磨硬质薄膜。
这种高耐磨硬质薄膜可以用于其基底材料由高速工具钢或碳化物材料形成的刀具例如滚刀、小齿轮铣刀和拉刀的一部分表面或整个表面或金属模具表面的一部分，或金属模具等的一部分工具表面上，或者附件例如眼镜的表面上。更具体地说，可以将该薄膜形成在用于采用例如切齿刀具进行齿轮切削的机器工具的齿隙形刀具的表面上。其上涂覆有根据本发明的薄膜的刀具甚至可以令人满意地用于进行干切削加工，其中没有使用切削流体来进行切削，因此可以实现具有高耐磨性的刀具。
根据本发明的这种薄膜，在金属氮化物薄膜(涂层)和基底层之间设有由这两层的组分形成的中间层以明显提高这两层的粘附力和粘接性能。因此，该薄膜具有非常优异的耐磨性，因此可以延长涂有该薄膜的部件或产品的使用寿命。还有，由于根据本发明的薄膜在高温下具有非常优异的抗氧化性，所以为此同样可以延长涂有该薄膜的部件或产品的使用寿命。因此，该本发明可以广泛地用于对刀具例如滚刀、小齿轮铣刀和拉刀进行表面处理，或者对金属模具或附件例如眼镜进行表面处理。还有，其上涂覆有根据本发明的薄膜的刀具甚至可以令人满意地用于进行干切削加工，其中没有使用切削流体来进行切削，因此可以实现具有高耐磨性的刀具。
下面将参照实施例对本发明进行更详细地说明，并且本发明并不限于这些实施例。
实施例
通过采用在图3中所示的电弧离子电镀设备利用各种类型的合金靶在高速工具钢(SKH-51)的基底材料上形成厚为4至7μm的薄膜。氮化物薄膜作为基底层形成在基底材料和涂层之间。
在表1中显示出薄膜形成条件。进行采用铝球(φ6)的球-盘磨损试验以评估耐磨性。测试条件为5N的载荷、100m/秒的滑动速度、300m的滑动距离、室温和无润滑。通过测量出涂层在磨损试验之后的磨损深度和磨损宽度来确定出磨损量。
表1
  N2气体压力(Pa)   基底材料温度(K)    偏压(V)
      2.7        678     -40
实施例1
通过使用在图3中所示的设备利用纯钛(Ti：100％)靶提前在基底材料上形成由Ti氮化物构成的基底层(薄膜厚度：1μm)。接着，通过从两个靶基本上均匀地进行电弧离子电镀来形成中间层。同时使用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的合金和纯钛(Ti：100％)作为这些靶。由(Al-Cr-Si)N和(Ti)N构成的中间层的合金与钛的组分比大约为1∶1。最后，通过采用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的靶来进行电弧离子电镀来形成涂层(表面薄膜层)。由此，获得本发明的硬质薄膜。结果是，所获得的薄膜具有0.15(μm)的磨损深度和0.19(mm)的磨损宽度。中间层的厚度为0.1μm，并且薄膜的总厚度为5.1μm。
实施例2
在如在实施例1中一样已经形成了基底层之后，通过同时使用由60％Al、30％Cr和10％Si构成的合金和纯钛(Ti：100％)作为靶来进行电弧离子电镀来形成中间层。接着，通过使用由60％Al、30％Cr和10％Si构成的合金进行电弧离子电镀来形成涂层。由此，获得硬质薄膜。结果是，所获得的薄膜具有0.11(μm)的磨损深度和0.15(mm)的磨损宽度。中间层的厚度为0.5μm，并且薄膜的总厚度为5.5μm。
实施例3
在如在实施例1中一样已经形成了基底层之后，通过同时使用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的合金和纯钛(Ti：100％)作为靶来进行电弧离子电镀来形成中间层。接着，通过使用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的合金作为靶进行电弧离子电镀来形成涂层。由此，获得硬质薄膜。结果是，所获得的薄膜具有0.12(μm)的磨损深度和0.15(mm)的磨损宽度。中间层的厚度为0.5μm，并且薄膜的总厚度为5.5μm。
实施例4
在如在实施例3中一样已经形成了基底层之后，通过使用相同的靶进行电弧离子电镀来形成中间层和涂层，由此获得硬质薄膜。该中间层的厚度为2.0μm。结果是，所获得的薄膜具有0.13(μm)的磨损深度和0.18(mm)的磨损宽度。薄膜的总厚度为7.0μm。
参考实施例1
通过使用纯钛(Ti：100％)靶提前在基底材料上形成由Ti氮化物构成的基底层(薄膜厚度：2μm)。接着通过使用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的合金作为靶进行电弧离子电镀来形成涂层。由此，获得硬质薄膜。结果是，所获得的薄膜具有0.21(μm)的磨损深度和0.23(mm)的磨损宽度。薄膜的总厚度为6.0μm。
实施例5
通过使用纯铬(Cr：100％)靶提前在基底材料上形成由Cr氮化物构成的基底层(薄膜厚度：1μm)。接着，通过从两个靶基本上均匀地进行电弧离子电镀来形成中间层。同时使用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的合金和纯铬(Cr：100％)作为这些靶。由(Al-Cr-Si)N和(Cr)N构成的中间层的合金与铬的组分比大约为1∶1。最后，通过采用由50％Al、40％Cr和10％构成的靶来进行电弧离子电镀来形成涂层(薄膜层)。由此，获得本发明的硬质薄膜。结果是，所获得的薄膜具有0.15(μm)的磨损深度和0.20(mm)的磨损宽度。中间层的厚度为0.1μm，并且薄膜的总厚度为5.1μm。
实施例6
在如在实施例5中一样已经形成了基底层之后，通过同时使用由60％Al、30％Cr和10％Si构成的合金和纯铬(Cr：100％)作为靶来进行电弧离子电镀来形成中间层。接着，通过使用由60％Al、30％Cr和10％Si构成的合金进行电弧离子电镀来形成涂层。由此，获得硬质薄膜。结果是，所获得的薄膜具有0.10(μm)的磨损深度和0.12(mm)的磨损宽度。中间层的厚度为0.5μm，并且薄膜的总厚度为5.5μm。
实施例7
在如在实施例5中一样已经形成了基底层之后，通过同时使用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的合金和纯铬(Cr：100％)作为靶来进行电弧离子电镀来形成中间层。接着，通过使用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的合金作为靶进行电弧离子电镀来形成涂层。由此，获得硬质薄膜。结果是，所获得的薄膜具有0.11(μm)的磨损深度和0.15(mm)的磨损宽度。中间层的厚度为0.5μm，并且薄膜的总厚度为5.5μm。
实施例8
在如在实施例7中一样已经形成了基底层之后，通过使用相同的靶进行电弧离子电镀来形成中间层和涂层，由此获得硬质薄膜。该中间层的厚度为2.0μm。结果是，所获得的薄膜具有0.14(μm)的磨损深度和0.18(mm)的磨损宽度。薄膜的总厚度为7.0μm。
参考实施例2
通过使用纯铬(Cr：100％)靶提前在基底材料上形成由Cr氮化物构成的基底层(薄膜厚度：2μm)。接着通过使用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的合金作为靶进行电弧离子电镀来形成涂层。由此，获得硬质薄膜。结果是，所获得的薄膜具有0.22(μm)的磨损深度和0.26(mm)的磨损宽度。薄膜的总厚度为6.0μm。
比较实施例1
通过利用在图3中所示的设备只使用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的合金作为靶进行电弧离子电镀来形成涂层。结果是，所获得的薄膜具有0.41(μm)的磨损深度和0.31(mm)的磨损宽度。层总厚度为4.0μm。
比较实施例2
通过使用纯钛(Ti：100％)靶提前在基底材料上形成由Ti氮化物构成的基底层(薄膜厚度：0.1μm)。接着通过使用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的合金作为靶进行电弧离子电镀来形成涂层。由此，获得硬质薄膜。结果是，所获得的薄膜具有0.39(μm)的磨损深度和0.31(mm)的磨损宽度。层的总厚度为4.1μm。
比较实施例3
通过使用纯铬(Cr：100％)靶提前在基底材料上形成由Cr氮化物构成的基底层(薄膜厚度：0.1μm)。接着通过使用由50％Al、40％Cr和10％Si构成的合金作为靶进行电弧离子电镀来形成涂层。由此，获得硬质薄膜。结果是，所获得的薄膜具有0.39(μm)的磨损深度和0.30(mm)的磨损宽度。层的总厚度为4.1μm。
传统实施例1
通过利用在图3中所示的设备采用由53％Ti和47％Al构成的合金作为靶来进行电弧离子电镀。结果是，所获得的薄膜具有0.80(μm)的磨损深度和0.40(mm)的磨损宽度。层厚为4.0μm。
传统实施例2
通过采用由45％Al和55％Cr构成的合金作为靶来进行电弧离子电镀。结果是，所获得的薄膜具有0.50(μm)的磨损深度和0.32(mm)的磨损宽度。层厚为4.0μm。
表2给出了实施例1至8、参考实施例1和2、比较实施例1至3以及传统实施例1和2的测量结果。这些结果表明，根据实施例1至8的本发明的薄膜具有较小的磨损深度和磨损宽度，因此具有优异的耐磨性。
  表2
           基底层           中间层            最外层          耐磨性试验
   组分  薄膜厚度(μm)   有或没有 薄膜厚度(μm)    组分  薄膜厚度(μm)  磨损深度(μm)  磨损宽度(mm)
  实施例1    TiN        1      有      0.1        4      0.15      0.19
  实施例2    TiN        1      有      0.5        4      0.11      0.15
  实施例3    TiN        1      有      0.5        4      0.12      0.15
  实施例4    TiN        1      有       2        4      0.13      0.18
参考实施例1    TiN        2     没有       -        4      0.21      0.23
  实施例5    CrN        1      有      0.1        4      0.15      0.20
  实施例6    CrN        1      有      0.5        4      0.10      0.12
  实施例7    CrN        1      有      0.5        4      0.11      0.15
  实施例8    CrN        1      有       2        4      0.14      0.18
参考实施例2    CrN        2     没有       -        4      0.22      0.26
比较实施例1    -        -     没有       -        4      0.41      0.31
比较实施例2    TiN      0.1     没有       -        4      0.39      0.31
比较实施例3    CrN      0.1     没有       -        4      0.39      0.30
传统实施例1    -        -     没有       -        4      0.80      0.40
传统实施例2    -        -     没有       -        4      0.50      0.32
上面为本发明一个实施方案的说明。本发明可以根据本发明的技术构思来作出各种改变或变化。
例如，在形成涂层中，采用物理沉积方法，也可以使用任意用于进行金属蒸镀的方法，例如电子枪、空心阴极、溅射和电弧放电，并且不会受到任何限制。

Claims (10)

1.一种高耐磨硬质薄膜，它包括：由金属氮化物构成的涂层，它形成在所要处理的物体的外表面上；由Ti或Cr氮化物构成的基底层，它设在涂层和所要处理的物体之间；以及中间层，它包含有与中间层接触的涂层和基底层的组分，该中间层设在涂层和基底层之间的界面处。
2.如权利要求1所述的高耐磨硬质薄膜，其特征在于，所述中间层其薄膜厚度为0.1至2μm。
3.如权利要求1或2所述的高耐磨硬质薄膜，其特征在于，所述涂层由主要成分为Al、Cr和Si的金属氮化物形成。
4.如权利要求1或2所述的高耐磨硬质薄膜，其特征在于，在基底层的组分与涂层的组分的数量比上，所述中间层的组分比为1∶5至5∶1。
5.如权利要求1或2所述的高耐磨硬质薄膜，其特征在于，所述涂层为由其中交替地布置有涂层a和涂层b的一层或多层构成的层，其中，涂层a由其主要成分为Al、Cr和Si的氮化物形成，涂层b由其主要成分只是金属成分Ti和Al的氮化物形成，这些金属成分含有25-75原子百分比的Al和衡量的Ti，并且最外层由涂层a形成。
6.一种刀具，其中在其表面的至少一部分上形成有如权利要求1或2所述的高耐磨硬质薄膜。
7.一种齿轮切削刀具，其中在其表面的至少一部分上形成有如权利要求1或2所述的高耐磨硬质薄膜。
8.一种齿轮切削刀具，其中在其由用作基底材料的高速工具钢构成的表面的至少一部分上形成有如权利要求1或2所述的高耐磨硬质薄膜。
9.如权利要求6所述的刀具，其特征在于，所述刀具用于进行干切削加工，其中在没有使用切削流体的情况下进行切削。
10.一种机加工方法，它包括通过使用如权利要求6所述的刀具进行干切削加工的步骤，其中在没有使用切削流体的情况下进行切削。
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