TWI493061B - 塗層、具有該塗層的被覆件及該被覆件的製備方法 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種塗層、具有該塗層的被覆件及該被覆件的製備方法,特別涉及一種PVD塗層、具有該PVD塗層的被覆件及該被覆件的製備方法。
PVD鍍膜工藝在工業領域有著廣泛的應用,其中,TiN、TiAlN薄膜鍍覆在刀具或模具表面能大幅提高刀具和模具的使用壽命。然而,隨著金屬切削加工朝高切削速度、高進給速度、高可靠性、長壽命、高精度和良好的切削控制性方面發展,對表面塗層的性能提出了更高的要求。傳統的TiN、TiAlN塗層在硬度、韌性等方面已經不能滿足要求。
研究發現,在TiN中摻入Si可進一步提高其硬度,然韌性較低,在用於切削高硬度材料時,刀具的刃口易產生卷刃。
有鑒於此,有必要提供一種具有良好硬度及韌性的塗層。
另外,還有必要提供一種應用上述塗層的被覆件。
另外,還有必要提供一種上述被覆件的製備方法。
一種塗層,該塗層包括一奈米複合層,該奈米複合層包括複數
NiTiCN層和複數TiCN層,所述NiTiCN層和TiCN層交替排布。
一種被覆件,該被覆件包括一基體、形成於該基體的一結合層及形成於該結合層上的一塗層,該塗層包括一奈米複合層,該奈米複合層包括複數NiTiCN層和複數TiCN層,所述NiTiCN層和TiCN層交替排布。
一種被覆件的製備方法,包括以下步驟:提供一基體;於該基體的表面磁控濺射一結合層,該結合層為一NiTi層;於該結合層的表面磁控濺射一塗層,該塗層包括一奈米複合層,該奈米複合層包括複數NiTiCN層和複數TiCN層,所述NiTiCN層和TiCN層交替排布。
相較於習知技術,本發明在形成NiTiCN層時,Ni原子以獨立形式偏聚在晶界上形成Ni相可抑制TiN晶粒的長大,使得NiTiCN層中的TiN晶粒的粒徑維持在奈米級,該奈米級的TiN晶粒可有效提高所述塗層的硬度和韌性。更重要的,由於奈米級氮化物NiTiCN與TiCN之間剪切模量的差異,交替排布的每一NiTiCN層與每一TiCN層之間的位錯運動在二膜層的介面處而停止,位錯的塞積可產生硬化現象及抑制膜層的變形,從而使得所述塗層的硬度及韌性進一步得到顯著的提高。所述的被覆件在基體與塗層之間設置一NiTi結合層,可有效提高塗層與基體之間的結合力。所述塗層的硬度、韌性的提高及塗層與基體之間結合力的增強,可顯著地提高所述塗層的使用性能。
10‧‧‧基體
20‧‧‧結合層
30‧‧‧塗層
31‧‧‧奈米複合層
311‧‧‧NiTiCN層
313‧‧‧TiCN層
33‧‧‧顏色層
40‧‧‧被覆件
圖1為本發明較佳實施例的塗層的剖視圖;圖2為本發明較佳實施例的被覆件的剖視圖;圖3為本發明較佳實施例的被覆件的製備方法的流程圖。
請參閱圖1,本發明一較佳實施例的塗層30包括一奈米複合層31。該奈米複合層31包括複數碳氮化鎳鈦(NiTiCN)層311和複數碳氮化鈦(TiCN)層313,所述NiTiCN層311和TiCN層313交替排布。
所述複數NiTiCN層311及複數TiCN層313可藉由磁控濺射的方法製成。該複數NiTiCN層311的層數可為50~60層,該複數TiCN層313的層數可為50~60層。
每一NiTiCN層311的厚度可為10~20nm,每一TiCN層313的厚度可為10~20nm。所述奈米複合層31的總厚度可為1~4μm。
可理解的,所述塗層30還可包括於該奈米複合層31的表面上鍍覆的一顏色層33,以增強該塗層30的美觀性。
請參閱圖2,本發明一較佳實施例的被覆件40包括一基體10、形成於該基體10的一結合層20及形成於該結合層20上的所述塗層30。該基體10的材質可為高速鋼、硬質合金及不銹鋼等。該被覆件40可為各類切削刀具、精密量具、模具、3C電子產品外殼及各種建築裝飾件等。
該結合層20為一鎳鈦(NiTi)層,其厚度為0.05~0.2μm,優選為0.1μm。該結合層20藉由磁控濺射法沉積形成。該結合層20的
化學穩定性與熱膨脹係數介於基體10與塗層30之間,因而可有效提高塗層30與基體10之間的結合力。
請進一步參見圖3,該被覆件40的製備方法主要包括如下步驟:
S1:提供一基體10。
所述基體10的材質可為高速鋼、硬質合金、金屬陶瓷及燒結金剛石等。
S2:對該基體10進行前處理。
將基體10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,以除去基體10表面的雜質和油污等。清洗完畢後烘乾備用。
對經上述處理後的基體10的表面進行電漿清洗,進一步去除基體10表面的油污,以改善基體10表面與後續塗層的結合力。該電漿清洗的具體操作及工藝參數可為:將基體10固定於一磁控濺射鍍膜機真空室內的轉架上,抽真空至真空度為8.0×10-3Pa,以300~600sccm(標準狀態毫升/分鐘)的流量向真空室內通入純度為99.999%的氬氣,並施加-300~-800V的偏壓於基體10,對基體10表面進行電漿清洗,清洗時間為3~10min。
S3:於該基體10上形成一結合層20。該結合層20為一NiTi層。
在對基體10進行電漿清洗後,調節真空室溫度至100~200℃,調節氬氣流量至100~300sccm,優選為150sccm;設置所述轉架的公轉速度為0.5~4rpm(revolution per minute,轉/分鐘),優選3rpm;開啟鎳鈦合金靶的電源,設置該電源的功率為7~11kw,優
選為10kw;對基體10施加-100~-300V的偏壓,沉積結合層20。沉積該結合層20的時間為20~60min。所述鎳鈦合金靶中Ni的質量百分含量為20~80%。
S4:於該結合層20上形成一奈米複合層31。該奈米複合層31由複數NiTiCN層311和複數TiCN層313交替沉積形成。
形成所述結合層20後,向真空室中通入流量為10~200sccm的純度為99.999%的氮氣及流量為10~300sccm的純度為99.8%的乙炔氣體,以沉積所述奈米複合層31。沉積該奈米複合層31時,交替開啟分別安裝於所述磁控濺射鍍膜機的鎳鈦合金靶及鈦靶,以於結合層20上交替沉積複數NiTiCN層311和複數TiCN層313。所述鎳鈦合金靶及鈦靶的電源功率設置為7~11kw。沉積該奈米複合層31的時間為30~120min。
關閉負偏壓、鎳鈦合金靶及鈦靶電源,停止通入氬氣、氮氣及乙炔氣體,待所述奈米複合層31冷卻後,向真空室內通入空氣,打開真空室門,取出鍍覆有結合層20及奈米複合層31的基體10。
可理解的,製備所述被覆件40的方法還可包括在該奈米複合層31的表面鍍覆一顏色層33,以增強被覆件40的美觀性。
本發明在形成NiTiCN層311時,氮氣中的N原子優先與Ti原子形成TiN晶粒,Ni原子則以獨立形式偏聚在晶界上形成Ni相,其可抑制TiN晶粒的長大,因而使得NiTiCN層311中的TiN晶粒的粒徑維持在奈米級,該奈米級的TiN晶粒可有效提高所述塗層30的硬度和韌性。更重要的,由於奈米級氮化物NiTiCN與TiCN之間剪切模量的差異,交替排布的每一NiTiCN層311與每一TiCN層313之間的
位錯運動在二膜層的介面處而停止,位錯的塞積可產生硬化現象及抑制膜層的變形,從而使得所述塗層30的硬度及韌性進一步得到顯著的提高。
所述的被覆件40在基體10與奈米複合層31之間設置一NiTi結合層20,由於該結合層20的化學穩定性與熱膨脹係數介於基體10與奈米複合層31之間,因而可有效提高塗層30與基體10之間的結合力。所述塗層30的硬度、韌性的提高及塗層30與基體10之間結合力的增強,可顯著地提高所述塗層30的使用性能。
10‧‧‧基體
20‧‧‧結合層
31‧‧‧奈米複合層
311‧‧‧NiTiCN層
313‧‧‧TiCN層
33‧‧‧顏色層
40‧‧‧被覆件
Claims (6)
- 一種被覆件,該被覆件包括一基體、形成於該基體的一結合層及形成於該結合層上的一塗層,該塗層包括一奈米複合層,其改良在於:該奈米複合層包括複數NiTiCN層和複數TiCN層,所述NiTiCN層和TiCN層交替排布。
- 如申請專利範圍第1項所述之被覆件,其中該結合層為一NiTi層,其厚度為0.05~0.2μm。
- 一種被覆件的製備方法,包括以下步驟:提供一基體;於該基體的表面磁控濺射一結合層,該結合層為一NiTi層;於該結合層的表面磁控濺射塗層,該塗層包括一奈米複合層,該奈米複合層包括複數NiTiCN層和複數TiCN層,所述NiTiCN層和TiCN層交替排布。
- 如申請專利範圍第3項所述之被覆件的製備方法,其中磁控濺射該結合層以鎳鈦合金靶為靶材,其功率為7~11kw,以氬氣作為惰性氣體,其流量為100~300sccm,對基體施加-100~-300V的偏壓,濺射時間為20~60min。
- 如申請專利範圍第3項所述之被覆件的製備方法,其中磁控濺射該奈米複合層以鎳鈦合金靶和鈦靶為交替開啟的靶材,該二靶材的功率為7~11kw,以氮氣及乙炔為反應性氣體,該氮氣的流量為10~200sccm,該乙炔氣體的流量為10~100sccm,濺射溫度為100~200℃,濺射時間為30~120min。
- 如申請專利範圍第3項或第5項所述之被覆件的製備方法,其中該鎳鈦合 金靶中Ni的質量百分含量為20~80%。
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