TWI477619B - 硬質薄膜、具備該硬質薄膜之產品、該產品之製作方法 - Google Patents

Description

硬質薄膜、具備該硬質薄膜之產品、該產品之製作方法

本發明係關於一種硬質薄膜、具備該硬質薄膜之產品及該產品之製作方法。

硬質薄膜廣泛地應用於硬質合金、高速鋼、以及陶瓷等材料的表面以製作出高硬度及高耐磨性的產品。現有的硬質薄膜主要為氮鈦鋁（TiAlN）薄膜。然，在對產品硬度有更高要求時，如刀具，單純的氮鈦鋁薄膜的硬度和耐磨性能還略顯不足。

目前，高切削速度、高進給速度、高可靠性、高精度和長壽命係刀具的發展方向，而不用或少用冷卻液的幹式切削技術，由於效率高，對環境污染小，正逐步成為切削技術的主流。然這些技術對刀具塗層的性能提出了更高的性能要求，尤其係長時間的幹式切削將導致刀具與被切削件接觸處溫度迅速升至600-800攝氏度以上，這些條件不僅要求塗層具有優異的高溫抗氧化性能，還要求塗層具有更高硬度、耐摩擦等性能，單純的氮鈦鋁薄膜的硬度和耐磨性能以難以滿足要求。

鑒於上述內容，有必要提供一種高硬度、高耐磨損性之硬質薄膜。

另外，還有必要提供一種具備上述硬質薄膜之產品。

此外，有必要提供一種上述產品之製作方法。

一種硬質薄膜，包括多層複合膜層及至少一鎳(Ni)層，每一所述複合膜層包括多層氮鈦鋁層與多層氮鉻鋁(CrAlN)層，該多層氮鈦鋁層與多層氮鉻鋁層交替排列，所述鎳層形成於二相鄰複合膜層之間。

一種產品，包括基體及形成於基體上之硬質薄膜，所述硬質薄膜包括多層複合膜層及至少一層鎳層，每一所述複合膜層包括多層氮鈦鋁層與多層氮鉻鋁層，該多層氮鈦鋁層與多層氮鉻鋁層交替排列，所述鎳層形成於二相鄰複合膜層之間。

一種產品之製作方法，包括以下步驟：

提供一基體；

將基體置入鍍膜機中交替沉積氮鈦鋁層與氮鉻鋁層以形成一複合膜層後，於該複合膜層表面沉積一鎳層；

於該鎳層表面沉積另一複合層，

照上述過程循環沉積，製得所述產品，使得產品最外層為一複合膜層。

本硬質薄膜由氮鈦鋁層、氮鉻鋁層及鎳層沉積形成，該具備高硬度及優良的耐磨性能氮鈦鋁層與氮鉻鋁層交替沉積，通過交替沉積且結合奈米多層薄膜的硬化效應可使得硬質薄膜整體具有較高的硬度，硬度可高達40Gpa，可耐高溫至900℃。通過間隔地加入鎳層可緩解硬質薄膜的內應力，延長硬質薄膜的使用壽命。

請參閱圖1，本發明一較佳實施例的產品10，包括基體11、及形成在基體11上的硬質薄膜12。所述產品10可為刀具，該基體11的材質可為硬質合金、高速鋼、陶瓷、以及金屬陶瓷等。

所述硬質薄膜12通過PVD(物理氣相沉積)鍍膜形成在該基體11的表面，該硬質薄膜12包括多層複合膜層120及至少一層鎳(Ni)層130。每一複合膜層120包括多層氮鈦鋁（TiAlN）層121與多層氮鉻鋁(CrAlN)層122，該多層氮鈦鋁層121與多層氮鉻鋁層122交替排列。所述多層氮鈦鋁層121與多層氮鉻鋁層122的層數分別優選為5-8層。每一所述鎳層130層疊於兩複合膜層120之間，用以緩解硬質薄膜12的內應力。所述交替排列的多層氮鈦鋁層121與多層氮鉻鋁層122的總厚度在8-20奈米之間。每一鎳層130的厚度為20-40奈米。

所述複合膜層120可為多層，二相鄰的複合膜層120之間形成有一層鎳層130。所述硬質薄膜12的總厚度較佳為1.5-3微米。其中，與基體11接觸的一層可為氮鈦鋁層121或氮鉻鋁層122，該氮鈦鋁層121或氮鉻鋁層122與基體11的熱膨脹係數接近，在溫度變化時與基體11結合處不會產生很大的內應力，便於與基體11結合穩定。由於鎳層130材質較軟，外露造成產品10硬度不佳，因此，外露於產品10表面的一層為複合膜層120的氮鈦鋁層121或氮鉻鋁層122。

請結合參閱圖2及圖3，該產品10的製作方法包括以下步驟：

S1：提供一基體11，將該基體11表面進行超聲波清洗，如採用無水乙醇或丙酮對基體11進行超聲波清洗，以除去基體11表面的油污。

S2：將基體11烘乾後置入鍍膜機100中進行PVD鍍膜形成所述硬質薄膜12，該硬質薄膜12通過交替沉積複合膜層120與鎳層130形成。所述鍍膜機100包括一鍍膜室20及連接於鍍膜室20的一真空泵30，真空泵30用以對鍍膜室20抽真空。該鍍膜室20內設有轉架（未圖示）及擋板（未圖示）、轉架帶動基體11沿圓形軌跡21運行。擋板用以在清洗靶材時隔離濺射的粒子濺射至基體11，其通過電動控制自動打開或關閉。軌跡21兩側分別設置有二相對的第一靶材22、二相對的第二靶材23及二相對的第三靶材24，其中二第一靶材22、二第二靶材23關於軌跡21的中心對稱設置。每一第一靶材22、每一第二靶材23、及每一第三靶材24的兩端均設有氣源通道25。當基體11穿過二第一靶材22之間，二第二靶材23之間，及二第三靶材24之間時，將分別鍍上第一靶材22、第二靶材23、及第三靶材24表面濺射出的粒子。

鍍膜所述硬質薄膜12的過程如下：（1）將第一靶材22、第二靶材23及第三靶材24分別置於鍍膜機的濺射源上，第一靶材22為TiAl靶材、第二靶材23為CrAl靶材、第三靶材24為鎳靶材。首先清洗各靶材表面，清洗過程如下：抽真空至3.0×10^-3 Pa，通入流量為500cm³ /s的高純氬氣，調節基體11的偏壓為-250~-350V，開啟第一靶材22、第二靶材23及第三靶材24，各靶材電流均為30~50A之間，氬氣轟擊第一靶材22、第二靶材23及第三靶材24的表面，如此將第一靶材22、第二靶材23及第三靶材24表面清洗乾淨。在清洗時轉架不轉動，且開啟擋板將濺射的粒子與基體11隔離。（2）接著在基體11表面交替沉積氮鈦鋁層121與氮鉻鋁層122形成一複合膜層120。關閉第三靶材24，調節氬氣流量為300cm³ /s，通入流量為80~150cm³ /s的氮氣；調節第一靶材22、第二靶材23電流為30~45A，調節基體11的偏壓至-250~-450V，關閉擋板，開啟轉架，調節轉架速度為0.5-3r/min（轉/分鐘），如此交替沉積氮鈦鋁層121與氮鉻鋁層122，交替沉積5-8個週期，沉積時間為250~300s，從而形成一複合膜層120。然後關閉第一靶材22與第二靶材23的電流，並停止通入氮氣。開啟第三靶材24，調節第三靶材24電流為20~30A，開始沉積鎳層130，沉積時間為60~120s。如此，將形成一層鎳層130在複合膜層120表面。

然後關閉第三靶材24，開啟第一靶材22與第二靶材23電源，通入氮氣。重複上述過程形成複合膜層120，然後在複合膜層120上形成鎳層130，以此循環，直至硬質薄膜12的總厚度達1.5-3微米之間，且硬質薄膜12表面層為複合膜層120，如此獲得產品10。鍍膜結束後，關閉靶材電流、偏壓、氣流等，待鍍膜室內溫降至室溫後取出產品10。

本硬質薄膜12由氮鈦鋁層、氮鉻鋁層及鎳層沉積形成，氮鈦鋁層與氮鉻鋁層具備高硬度及優良的耐磨性能，交替沉積5-8個週期後結合奈米多層薄膜的硬化效應可使得硬質薄膜整體具有較高的硬度，硬度可高達40Gpa，抗高溫氧化性可達900℃；通過間隔地加入鎳層可緩解硬質薄膜12的內應力，延長硬質薄膜12的使用壽命。

10．．．產品

11．．．基體

12．．．硬質薄膜

120．．．複合膜層

121．．．氮鈦鋁層

122．．．氮鉻鋁層

130．．．鎳層

100．．．鍍膜機

20．．．鍍膜室

30．．．真空泵

21．．．軌跡

22．．．第一靶材

23．．．第二靶材

24．．．第三靶材

25．．．氣源通道

圖1係本發明較佳實施例具備硬質薄膜的產品的剖視示意圖；

圖2係圖1所示產品的製作方法流程圖；

圖3係圖1產品的製作過程中所用鍍膜機結構示意圖。

10．．．產品

11．．．基體

12．．．硬質薄膜

120．．．複合膜層

121．．．氮鈦鋁層

122．．．氮鉻鋁層

130．．．鎳層

Claims (10)

1. 一種硬質薄膜，其改良在於：其包括多層複合膜層及至少一層鎳層，每一所述複合膜層包括多層氮鈦鋁層與多層氮鉻鋁層，該多層氮鈦鋁層與多層氮鉻鋁層交替排列，所述鎳層形成於二相鄰複合膜層之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之硬質薄膜，其中所述多層氮鈦鋁層與多層氮鉻鋁層交替排列的層數分別為5-8層，每一氮鈦鋁層與每一氮鉻鋁層的厚度在8-20奈米之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之硬質薄膜，其中所述硬質薄膜的總厚度為1.5-3微米，所述硬質薄膜的外表為一複合膜層。
4. 一種產品，包括基體及形成於基體上之硬質薄膜，其改良在於：所述硬質薄膜包括多層複合膜層及至少一層鎳層，每一所述複合膜層包括多層氮鈦鋁層與多層氮鉻鋁層，該多層氮鈦鋁層與多層氮鉻鋁層交替排列，所述鎳層形成於二相鄰複合膜層之間。
5. 如申請專利範圍第4項所述之產品，其中所述基體選擇為硬質合金、高速鋼、陶瓷、以及金屬陶瓷中的一種。
6. 如申請專利範圍第4項所述之產品，其中所述多層氮鈦鋁層與多層氮鉻鋁層交替排列的層數分別為5-8層，每一氮鈦鋁層與每一氮鉻鋁層的厚度在8-20奈米之間。
7. 一種產品之製作方法，包括以下步驟：
   提供一基體；
   將基體置入鍍膜機中交替沉積氮鈦鋁層與氮鉻鋁層以形成一複合膜層後，於該複合膜層表面沉積一鎳層；
   於該鎳層表面沉積另一複合層，
   照上述過程循環沉積，製得所述產品，使得產品最外層為一複合膜層。
8. 如申請專利範圍第7項所述之產品之製作方法，其中交替沉積前先清洗靶材，清洗過程中，將鍍膜室內抽真空至3.0×10^-3 Pa，通入流量為500cm³ /s的高純氬氣，開啟TiAl靶材、CrAl靶材及鎳靶材，各靶材的電流為30-50A。
9. 如申請專利範圍第7項所述之產品之製作方法，其中交替沉積每一氮鈦鋁層與每一氮鉻鋁層時，調節鍍膜室內氬氣流量為300cm³ /s，通入流量為80~150cm³ /s的氮氣，調節TiAl靶材與CrAl靶材電流為30~45A，調節偏壓至-250~-450V，調節轉架速度為0.5-3r/min（轉/分鐘）。
10. 如申請專利範圍第7項所述之產品之製作方法，其中沉積每一鎳層過程中，調節鎳靶材電流為20~30A，沉積時間為60~120s。