TWI493061B - 塗層、具有該塗層的被覆件及該被覆件的製備方法 - Google Patents

Description

塗層、具有該塗層的被覆件及該被覆件的製備方法

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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%。