TWI477637B - 具有硬質塗層的被覆件及其製備方法 - Google Patents

Description

具有硬質塗層的被覆件及其製備方法

本發明涉及一種具有硬質塗層的被覆件及該被覆件的製備方法。

高切削速度、高進給速度、高可靠性、高精度及長壽命係目前刀具的發展方向，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發展的主流。然該等技術對刀具塗層的性能提出了更高的要求，尤其係長時間的幹式切削將導致刀具與被切削件接觸溫度迅速升至600-800℃以上，該等苛刻的條件要求塗層同時具有高硬度、低摩擦係數及優異的高溫抗氧化性能。目前商業化較為成功的刀具塗層係TiAlN塗層，該塗層具有較好的高溫抗氧化性能，能較大程度提高刀具表面硬度及耐磨性能。然，普通的TiAlN塗層的HV硬度難以超過30GPa，抗氧化溫度為800℃以下，已經不能很好的滿足某些較高硬度材料的切削加工。

有鑒於此，有必要提供一種具有具有硬質塗層的被覆件，該被覆件具有較高硬度、耐磨損及優良的高溫抗氧化性能。

另外，還有必要提供一種上述被覆件的製備方法。

一種具有硬質塗層的被覆件，包括硬質基體及形成於該基體上的結合層，該被覆件還包括形成於該結合層上的奈米硬質塗層，該奈米硬質塗層包括多層TiAlN層及多層SiN層，所述TiAlN層與SiN層交替堆疊，該奈米硬質塗層經交替沉積所述TiAlN層及SiN層後進行氮化熱處理製得。

一種具有硬質塗層的被覆件的製備方法，包括以下步驟：

提供硬質基體；

提供一磁控濺射設備，將該硬質基體放入該磁控濺射設備的轉架上，在該磁控濺射設備的真空室內相對設置鈦鋁合金靶及矽靶；

開啟鈦鋁合金靶，在硬質基體上濺射一結合層；

同時開啟鈦鋁合金靶及矽靶，以氮氣為反應氣體，在結合層上交替濺射多層TiAlN層及多層SiN層，以形成奈米硬質塗層，該TiAlN層與該SiN層交替堆疊；

在氮氣氣氛下對該奈米硬質塗層進行氮化熱處理。

本發明的具有硬質塗層的被覆件包括奈米硬質塗層，該交替堆疊經交替沉積多層TiAlN層及多層SiN層後進行氮化熱處理製得。由於SiN層自身具有很高的硬度及耐磨性能，加之交替堆疊的TiAlN層與SiN層之間存在多晶超晶格硬化效應，使得奈米硬質塗層整體具有較高的硬度。而且，該奈米硬質塗層經過氮化熱處理後，將沉積過程中沒來得及反應的金屬粒子進一步氮化，進一步提高了塗層的整體硬度及耐磨性能。

請參閱圖1，本發明較佳實施例具有硬質塗層的被覆件10包括硬質基體20、形成於硬質基體20上的結合層30、形成於結合層30上的奈米硬質塗層40。

該硬質基體20的材質可以為高速鋼、硬質合金、陶瓷、不銹鋼、鎂合金及鋁合金等。

該結合層30為一鈦鋁合金層，該結合層30中鈦原子與鋁原子個數比大約為1：1。該結合層30的厚度可為0.05~0.2μm，優選為0.1μm，其用於提高奈米硬質塗層40與硬質基體20之間的結合力。

該奈米硬質塗層40包括多層TiAlN層42及多層SiN層44，所述TiAlN層42與SiN層44交替堆疊。該奈米硬質塗層40經交替沉積所述TiAlN層42及SiN層44後進行氮化熱處理製得。所述TiAlN層42中鈦原子與鋁原子個數比大約為1：1；而鈦原子與鋁原子個數之和與氮原子個數比大約為1：0.9~1：1。所述SiN層44中矽原子與氮原子個數比大約為1：1~1：1.3。每相鄰TiAlN層42與SiN層44的厚度之和大約為3~15nm，較佳為10~15nm。該奈米硬質塗層40的總厚度大約為1~2.5微米。

該結合層30及該奈米硬質塗層40可藉由磁控濺射(如射頻磁控濺射)方法形成。

該被覆件10可以為各類切削刀具、精密量具、模具、電子產品外殼及各種建築裝飾件等。

上述的被覆件10的製備方法，主要包括如下步驟：

請參閱圖1，提供所述硬質基體20，並對硬質基體20進行清洗。該步驟可將硬質基體20放入盛裝有乙醇及/或丙酮溶液的超聲波清洗器中進行震動清洗，以除去承鍍基體表面的雜質及油污等，清洗完畢後烘乾備用。

請參閱圖2，提供一磁控濺射設備1，本實施例為射頻磁控濺射設備。磁控濺射設備1包括一真空室2、用以對真空室2抽真空的真空泵3以及與真空室2相通的氣源通道7。該真空室2內設有轉架4及相對設置的鈦鋁合金靶5及矽靶6，該鈦鋁合金靶5中鋁原子百分比為50%。轉架4帶動硬質基體20做圓周運行，且硬質基體20在隨轉架4運行的同時也進行自轉。鍍膜時，濺射氣體與反應氣體經由氣源通道7進入真空室2。

在硬質基體20上濺射該結合層30。將經上述清洗的硬質基體20放置於磁控濺射設備1的轉架4上，對真空室2抽真空至1.0×10^-3 ~8.0×10^-3 Pa後通入濺射氣體氬氣，氬氣流量為150~300sccm（標準狀態毫升/分鐘），硬質基體20施加偏壓至-100~-300V，開啟鈦鋁合金靶5，鈦鋁合金靶5的功率為300~500瓦，調節真空室2內溫度為150~250℃，對硬質基體20濺射5~10分鐘，以於硬質基體20表面形成該由鈦鋁合金形成的結合層30。

在結合層30上交替濺射多層TiAlN層42及多層SiN層44，以形成該奈米硬質塗層40。保持硬質基體20偏壓不變，調節氬氣流量為300~400sccm，同時向真空室通入氮氣，氮氣的流量為70~130sccm；調節鈦鋁合金靶5的功率為400~500瓦，同時開啟矽靶6電源，矽靶6的功率為300~400瓦，設置所述轉架4的轉速為2~5rpm（revolution per minute，轉/分鐘），進而控製硬質基體20交替途經鈦鋁合金靶5及矽靶6，從而在硬質基體20上交替沉積TiAlN層42及SiN層44。沉積時間約為30~120分鐘。

鍍膜結束後，關閉靶材電源、偏壓、氣流等，待真空室2溫度降至接近室溫時取出鍍覆有結合層30及奈米硬質塗層40的硬質基體20。

接著，對該奈米硬質塗層40進行氮化熱處理。將該鍍覆有結合層30及奈米硬質塗層40的硬質基體20放入高溫熱處理爐中，在熱處理爐中不斷地通入氮氣，將熱處理爐內的空氣全部排出，形成氮氣氣氛。對該熱處理爐進行升溫，升溫速率為8~12℃/min，當該熱處理爐升溫至500~550℃（即熱處理溫度）時，保持該溫度範圍30-60分鐘。該步驟中，氮氣與奈米硬質塗層40中未反應完全的鈦鋁金屬相繼續反應生成接近標準化學計量比的難熔化合物相，使TiAlN層42中鈦原子與鋁原子個數之和與氮原子個數比大約為1：0.9~1：1，使SiN層44中矽原子與氮原子個數比大約為1：1~1：1.3，而未經該氮化熱處理的TiAlN層42中鈦原子與鋁原子個數之和與氮原子個數比要大於1：0.9，未經氮化熱處理的SiN層44中矽原子與氮原子個數比要大於1：1，即氮化熱處理後使TiAlN層42及SiN層44氮的含量提高了，以提高奈米硬質塗層40整體的硬度與耐磨性能。

本發明的具有硬質塗層的被覆件10包括多層TiAlN層42和多層SiN層44交替沉積而成的奈米硬質塗層40，由於SiN層44自身具有很高的硬度和耐磨性能，加之每一TiAlN層42與SiN層44的厚度均為奈米級別，TiAlN層42與SiN層44之間存在多晶超晶格硬化效應，使得奈米硬質塗層40整體具有較高的硬度。而且，該奈米硬質塗層40經過氮化熱處理後，將沉積過程中沒來得及反應的金屬粒子進一步氮化，生成接近標準化學計量比的難熔化合物相，使進一步提高了塗層的整體硬度及耐磨性能。

可以理解，上述被覆件10的製備方法還可包括濺射該結合層30前，在所述磁控濺射設備內對鈦鋁合金靶5及矽靶6進行濺射清洗，以去除靶材表面可能形成的氧化物等雜質。

實施例1

選用316不銹鋼作為硬質基體，對基體進行清洗，然後在基體上濺鍍結合層及奈米硬質塗層，最後對奈米硬質塗層進行氮化熱處理，各步驟的具體操作如上所述。

濺鍍結合層的條件為：真空室抽真空至3.0×10^-3 Pa，真空室溫度為150℃，氬氣流量為300sccm，基體偏壓為-150V，鈦鋁合金靶功率為400瓦，濺射時間為5分鐘。

濺鍍奈米硬質塗層的條件為：真空室溫度為150℃，氬氣流量為300sccm，氮氣流量為70sccm，基體偏壓為-150V，鈦鋁合金靶功率為400瓦，矽靶功率為300瓦，轉架轉速為2rpm，濺射時間為40分鐘。

氮化熱處理條件為：熱處理爐中充氮氣，熱處理爐升溫速率為8℃/min，熱處理溫度為524~526℃，熱處理時間為30分鐘。

實施例2

選用高速鋼刀具作為硬質基體，對基體進行清洗，然後在基體上濺鍍結合層及奈米硬質塗層，最後對奈米硬質塗層進行氮化熱處理，各步驟的具體操作同實施例1。

濺鍍結合層的條件為：真空室抽真空至3.0×10^-3 Pa，真空室溫度為200℃，氬氣流量為300sccm，基體偏壓為-200V，鈦鋁合金靶功率為450瓦，濺射時間為5分鐘。

濺鍍奈米硬質塗層的條件為：真空室溫度為200℃，氬氣流量為350sccm，氮氣流量為100sccm，基體偏壓為-200V，鈦鋁合金靶功率為450瓦，矽靶功率為350瓦，轉架轉速為4rpm，濺射時間為70分鐘。

氮化熱處理條件為：熱處理爐中充氮氣，熱處理爐升溫速率為10℃/min，熱處理溫度為530~532℃，熱處理時間為40分鐘。

實施例3

選用鎢鋼刀具作為硬質基體，對基體進行清洗，然後在基體上濺鍍結合層及奈米硬質塗層，最後對奈米硬質塗層進行氮化熱處理，各步驟的具體操作同實施例1。

濺鍍結合層的條件為：真空室抽真空至3.0×10^-3 Pa，真空室溫度為240℃，氬氣流量為300sccm，基體偏壓為-300V，鈦鋁合金靶功率為450瓦，濺射時間為5分鐘。

濺鍍奈米硬質塗層的條件為：真空室溫度為240℃，氬氣流量為400sccm，氮氣流量為130sccm，基體偏壓為-300V，鈦鋁合金靶功率為500瓦，矽靶功率為400瓦，轉架轉速為5rpm，濺射時間為100分鐘。

氮化熱處理條件為：熱處理爐中充氮氣，熱處理爐升溫速率為12℃/min，熱處理溫度為548~550℃，熱處理時間為60分鐘。

對比例1-3

對比例1-3除了沒有後續的氮化熱處理步驟之外，其他各步驟的具體操作與條件分別與實施例1-3相同。

對實施例1-3及對比例1-3所製備的試樣進行耐磨性測試及奈米硬度測試測試；對實施例1-3所得的試樣還進行了高溫抗氧化測試；並對實施例2及3製備的刀具試樣進行了幹式切削試驗，各測試條件及結果如下：

（1）耐磨性測試

測試儀器為線性耐磨耗測試儀，測試條件為：載荷為1kg，行程長度為1.5英尺，磨耗速率為25次/分鐘。

試結果顯示，實施例1-3所製備的被覆件經磨耗200次均為見明顯脫落；而對比例1-3所製備的試樣經磨耗100次即有膜層輕微剝落，150次後膜層明顯脫落，說明經氮化熱處理的膜層的耐磨性明顯高於未經氮化熱處理的膜層。

（2）奈米硬度測試

測試儀器為奈米硬度計，測試條件為：溫度20~25℃，空氣濕度為30%~50%，載入5g大小的力。

測試結果顯示，實施例1-3所製備的被覆件的奈米硬度為44~46GPa；而對比例1-3所製備的試樣的表面膜層的奈米硬度為38-42GPa，說明氮化熱處理使膜層的硬度有較大幅度的提高。

（3）高溫抗氧化測試

測試儀器為管式熱處理爐，測試條件為：升溫速率為10℃/min，熱處理溫度為820℃，保溫時間為0.5h。

測試結果顯示，由本發明實施例1-3所製備的被覆件經820℃熱處理0.5h後均未見膜層氧化、脫落等現象。

（4）幹式切削測試

對實施例2及3所製備的刀具試樣進行幹式切削測試，測試條件為：刀具進給速度為1mm/min，切削速度為5400轉/分鐘，被切削材料為鑄鐵。測試結果發現，切削6分鐘後開始有膜層剝落現象。

10．．．被覆件

20．．．硬質基體

30．．．結合層

40．．．奈米硬質塗層

42．．．TiAlN層

44．．．SiN層

1．．．磁控濺射設備

2．．．真空室

3．．．真空泵

4．．．轉架

5．．．鈦鋁合金靶

6．．．矽靶

7．．．氣源通道

圖1為本發明較佳實施例的被覆件的剖視示意圖。

圖2為本發明較佳實施例的被覆件的製備方法中所用磁控濺射設備示意圖。

10．．．被覆件

20．．．硬質基體

30．．．結合層

40．．．奈米硬質塗層

42．．．TiAlN層

44．．．SiN層

Claims (12)

1. 一種具有硬質塗層的被覆件，包括硬質基體及形成於該基體上的結合層，其改良在於：該被覆件還包括形成於該結合層上的奈米硬質塗層，該奈米硬質塗層包括多層TiAlN層及多層SiN層，所述TiAlN層與SiN層交替堆疊，該奈米硬質塗層經交替沉積所述TiAlN層及SiN層後進行氮化熱處理製得。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有硬質塗層的被覆件，其中所述TiAlN層中鈦原子與鋁原子個數比為1：1；鈦原子與鋁原子個數之和與氮原子個數比為1：0.9~1：1。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具有硬質塗層的被覆件，其中所述SiN層中矽原子與氮原子個數百分比為1：1~1：1.3。
4. 如申請專利範圍第2項所述之具有硬質塗層的被覆件，其中每相鄰TiAlN層與SiN層的厚度之和為3~15nm，該奈米硬質塗層的總厚度為1~2.5微米。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有硬質塗層的被覆件，其中所述結合層為鈦鋁合金層。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具有硬質塗層的被覆件，其中所述硬質基體為高速鋼、硬質合金、陶瓷、不銹鋼、鎂合金及鋁合金中的一種。
7. 一種具有硬質塗層的被覆件的製備方法，包括以下步驟：
   提供硬質基體；
   提供一磁控濺射設備，將該硬質基體放入該磁控濺射設備的轉架上，在該磁控濺射設備的真空室內相對設置鈦鋁合金靶及矽靶；
   開啟鈦鋁合金靶，在硬質基體上濺射一結合層；
   同時開啟鈦鋁合金靶和矽靶，以氮氣為反應氣體，在結合層上交替濺射多層TiAlN層及多層SiN層，以形成奈米硬質塗層，該TiAlN層與該SiN層交替堆疊；
   在氮氣氣氛下對該奈米硬質塗層進行氮化熱處理。
8. 如申請專利範圍第1項所述之具有硬質塗層的被覆件的製備方法，其中濺射所述結合層係在如下條件下進行：真空室內真空度為1.0×10^-3 ~8.0×10^-3 Pa，通入氬氣，氬氣流量為150~300sccm，硬質基體施加偏壓至-100~-300V，鈦鋁合金靶的功率為300~500瓦，濺射時間為5~10分鐘。
9. 如申請專利範圍第1項所述之具有硬質塗層的被覆件的製備方法，其中濺射所述奈米硬質塗層係在如下條件下進行：硬質基體施加偏壓-100~-300V，同時通入氬氣和氮氣，氬氣流量為300~400sccm，氮氣流量為70~1300sccm；鈦鋁合金靶的功率為400~500瓦，矽靶的功率為300~400瓦，轉架的轉速為2~5rpm，沉積時間為30~120分鐘。
10. 如申請專利範圍第1項所述之具有硬質塗層的被覆件的製備方法，其中所述氮化熱處理係將該形成有該結合層及該奈米硬質塗層的硬質基體放入高溫熱處理爐中，向熱處理爐中通入氮氣以形成氮氣氣氛，對該熱處理爐以8~12℃/min的升溫速率進行升溫，熱處理溫度為500~550℃，保持該熱處理溫度30-60分鐘。
11. 如申請專利範圍第1項所述之具有硬質塗層的被覆件的製備方法，其中所述結合層為鈦鋁合金層。
12. 如申請專利範圍第1項所述之具有硬質塗層的被覆件的製備方法，其中所述硬質基體為高速鋼、硬質合金、陶瓷、不銹鋼、鎂合金及鋁合金中的一種。