CN1888124A - ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层 - Google Patents

ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层 Download PDF

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Abstract

一种ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层，属于陶瓷涂层领域。本发明由ZrO2层和TiN层交替沉积在硬质合金、陶瓷或金属基底上形成，ZrO2层的厚度为2～8nm，TiN层厚为0.4～1.2nm，涂层总厚度为2～5μm。本发明的ZrO2/TiN纳米多层涂层采用在氩气氛中的双靶溅射技术在抛光的金属或陶瓷基体表面交替沉积ZrO2层和TiN层得到。本发明所得的ZrO2/TiN纳米多层涂层不但具有优异的高温抗氧化性，而且具有19.1GPa至23GPa的硬度。本发明作为高速切削刀具及其它在高温条件下服役耐磨、耐腐蚀工件的涂层，具有很高的应用价值和推广的可能性。

Description

ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层
技术领域
本发明涉及的是一种陶瓷涂层，具体是一种ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层，用于切削工具材料表面涂覆陶瓷涂层的技术领域。
背景技术
由于机械加工效率高，并且对环境造成的污染小，切削速度≥100m/min的高速干式切削目前正日益成为切削技术发展的主流。与此同时，高速、干式切削技术对刀具涂层的性能提出了更高的要求，除了要求涂层具有普通切削刀具涂层应有的高硬度、低摩擦系数等力学性能外，更需要涂层具有优异的高温抗氧化性。然而，现有的刀具涂层虽然都具有较高的硬度，但它们的抗氧化能力却难以满足高速、干式切削苛刻的服役条件。例如，目前最常用的TiN涂层的硬度约为23GPa，其抗氧化温度约为500℃；TiCN涂层硬度虽高达40GPa，但抗氧化温度却只有400℃；目前应用前景最好的TiAlN涂层硬度为35GPa，抗氧化性温度也可达到约800℃，但仍难以满足高速、干式切削时刀具涂层前端高达1000℃以上的工作温度。而另一方面，与氮化物涂层相比，氧化物陶瓷的力学性能，尤其是硬度要逊色很多，单独作为工模具涂层使用效果不佳。
对现有技术进行的检索发现，为了提高刀具涂层的抗氧化性，已有的专利技术(如美国专利US6565957，US6638571，US5766782和中国专利95108982.X等)采用在TiN等涂层的表面或中间增加一层或多层0.1～8μm厚度的Al2O3层，使之与氮化物层形成多层结构的涂层。尽管致密的Al2O3层能显著提高涂层的抗氧化性，但由于Al2O3的硬度远低于氮化物，这种氮化物和Al2O3组成的多层涂层的硬度会明显降低，从而影响到刀具涂层的切削功能的有效发挥。
ZrO2是一种具有优异综合性能的陶瓷材料，但由于硬度不高而未能单独作为刀具涂层使用。基于两种氮化物以纳米量级交替沉积形成的纳米多层涂层，在其成分调制周期为约5～10nm时会产生硬度明显升高的超硬效应。William D.Sproul New Routes in the preparation of mechanically hard films SCIENCE 1996，273(16)：889-892(《科学》杂志，力学硬质涂层制备的新途径)，提出采用两种氧化物制备纳米多层涂层使其兼具高硬度和优异抗氧化性能的技术路线，但是，按此技术路线制备的ZrO2/Al2O3和ZrO2/Y2O3均为获得硬度提高的效果。其中，ZrO2/Al2O3由于Al2O3的非晶态使该多层涂层不能形成超硬效应所必须的共格界面，而ZrO2/Y2O3纳米多层涂层虽然形成共格界面，但这两种组成物剪切模量差不够大也未能满足纳米多层和涂层产生超硬效应的必要条件
发明内容
本发明的目的在于克服现有硬质涂层高温抗氧化性能方面的不足，提供一种适合于高速切削和干式切削的同时兼具较高硬度和优异抗氧化性能的ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层。考虑到与其它氧化物(如SiO2、Al2O3)在沉积态以非晶形式存在不同，气相沉积的ZrO2薄膜以晶体态存在，本发明采用ZrO2和高模量TiN组成纳米多层膜。利用两者之间的模量差异，并使TiN和ZrO2形成产生超硬效应所必须的共格外延生长结构，从而使ZrO2/TiN纳米多层膜获得高硬度。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出的ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层由ZrO2层和TiN层形成在金属或陶瓷基体上，TiN层的厚度为0.4～1.2nm，ZrO2层的厚度为2.5～8nm，ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层的总厚度为2～5μm。所述的ZrO2层和TiN层，交替沉积在金属或陶瓷基体上形成。
由于其主体为层状结构的ZrO2而具有优良的高温抗氧化性，而插入的TiN与ZrO2形成的共格外延生长结构又使其具有了较高的硬度，因此成为一种可满足高速切削和干式切削的刀具涂层材料。
本发明的关键在于在ZrO2中插入TiN以形成纳米多层涂层，并严格控制纳米多层涂层中TiN层的厚度在0.4～1.2nm范围。在此厚度范围内，TiN层形成了与ZrO2四方结构相同的赝晶体，并与ZrO2层形成共格外延生长，该纳米多层涂层形成超晶格结构的柱状晶。这种特有的微结构使得ZrO2/TiN纳米多层涂层的硬度比ZrO2单层膜有较大提高，最高硬度达23GPa，明显高于ZrO2单一涂层的硬度(约14.5GPa)。而该多层涂层中大量层状的ZrO2作为主体材料将使这种纳米多层涂层具有高达1100℃的抗氧化温度。
本发明将具有优异抗氧化性能和高温化学稳定性的ZrO2陶瓷作为模板材料，加入模量高、韧性好的TiN与之交替沉积，并通过微结构的优化设计，使所形成的纳米多层涂层不仅具有比ZrO2单层涂层更高的硬度，而且还具有优异的高温抗氧化性。本发明制备得到的ZrO2/TiN纳米多层涂层材料作为高速切削和干式切削的刀具保护涂层以及其他耐磨涂层，具有很大的应用价值。
附图说明
图1本发明ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层结构示意图。
图中：TiN层1、ZrO2层2、基体3。
具体实施方式
如图1所示，本发明ZrO2/TiN纳米多层涂层由TiN层1和ZrO2层2交替沉积在金属或陶瓷的基体3上组成，TiN层1的厚度为0.4～1.2nm，ZrO2层2的厚度为2.5～8nm，纳米多层涂层的总厚度为2～5μm。
ZrO2层和TiN层以上述厚度交替沉积形成的纳米多层涂层，其TiN层会形成与ZrO2相同的四方结构赝晶体，并与ZrO2层相互共格外延生长。纳米多层涂层形成超晶格结构的柱状晶。
本发明ZrO2/TiN纳米多层涂层采用由两个射频阴极分别控制的TiN靶和ZrO2靶在氩气氛中通过磁控溅射方法沉积于抛光的金属或陶瓷表面获得。
以下结合本发明的内容提供实施实例：
实例一
本发明ZrO2/TiN多层涂层的制备方法的具体工艺参数为：Ar气分压为3.2×10-1Pa，ZrO2靶的溅射功率为150W，沉积时间为9秒，TiN靶的功率为50W，沉积时间为1秒，总溅射时间为2h，基体温度＜200℃。由此得到的ZrO2/TiN多层涂层中ZrO2层的厚度为4.4nm，TiN层厚为0.4nm，总厚度2μm。涂层的硬度为19.6GPa。
实例二
本发明ZrO2/TiN多层涂层的制备方法的具体工艺参数为：Ar气分压为3.2×10-1Pa，ZrO2靶的溅射功率为150W，沉积时间为9秒，TiN靶的功率为50W，沉积时间为2秒，总溅射时间为2h，基体温度＜200℃。由此得到的ZrO2/TiN多层涂层中ZrO2层的厚度为4.4nm，TiN层厚为0.8nm，总厚度2μm。涂层的硬度为23GPa。
实例三
本发明ZrO2/TiN多层涂层的制备方法的具体工艺参数为：Ar气分压为3.2×10-1Pa，ZrO2靶的溅射功率为150W，沉积时间为9秒，TiN靶的功率为50W，沉积时间为1秒，总溅射时间为3.5h，基体温度＜200℃。由此得到的ZrO2/TiN多层涂层中ZrO2层的厚度为4.4nm，TiN层厚为1.2nm，总厚度3.5μm。涂层的硬度为21GPa。
实例四
本发明ZrO2/TiN多层涂层的制备方法的具体工艺参数为：Ar气分压为3.2×10-1Pa，ZrO2靶的溅射功率为150W，沉积时间为5秒，TiN靶的功率为50W，沉积时间为1秒，总溅射时间为3.5h，基体温度＜200℃。由此得到的ZrO2/TiN多层涂层中ZrO2层的厚度为2.5nm，TiN层厚为0.4nm，总厚度3.5μm。涂层的硬度为20.2GPa。
实例五
本发明ZrO2/TiN多层涂层的制备方法的具体工艺参数为：Ar气分压为3.2×10-1Pa，ZrO2靶的溅射功率为150W，沉积时间为15秒，TiN靶的功率为50W，沉积时间为3秒，总溅射时间为5h，基体温度＜200℃。由此得到的ZrO2/TiN多层涂层中ZrO2层的厚度为8nm，TiN层厚为1.2nm，总厚度5μm。涂层的硬度为19.1GPa。

Claims (3)

1、一种ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层，其特征在于，ZrO2层和TiN层形成在金属或陶瓷基体上，TiN层的厚度为0.4～1.2nm，ZrO2层的厚度为2.5～8nm，ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层的总厚度为2～5μm。
2、根据权利要求1所述的ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层，其特征是，所述的ZrO2层和TiN层，交替沉积在金属或陶瓷基体上形成。
3、根据权利要求1所述的ZrO2/TiN硬质纳米多层涂层，其特征是，TiN层在0.4～1.2nm时呈现与ZrO2相同的四方结构赝晶，并与ZrO2形成共格界面的超晶格柱状晶。
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