專利名稱：耐磨損和抗氧化的TiAlSiN納米復合超硬涂層制備方法
技術領域：
本發明屬于涂層材料制備領域,進一步涉及一種耐磨損和抗氧化的TiAlSiN納米復合超硬涂層的制備方法，該方法制備的TiAlSiN涂層，抗氧化溫度可以達到1000°C，硬度40GPa，摩擦系數約0. 7，特別適合于在高速干切削刀具和高溫成型模具領域應用。
背景技術：
硬質涂層具有高硬度、抗氧化、耐磨損等優異性能，在刀具、模具及機械耐磨件上具有廣泛應用前景。過去的二十多年中，以過渡族金屬的氮化物和碳化物(如TiN、TiC、CrN、TiAlN等)為代表的兩元或三元組分的硬質涂層一直應用于工具、模具表面的涂覆處理，顯著提高了工具、模具的加工效率和使用壽命。當前，以數控機床為基礎的先進制造技術正向高速、干切削方向發展，此時刀具涂層的使用溫度要求在800°C以上，硬度大于30GPa，以保證刀具在高速干切削條件下，仍然具有良好的紅硬性、耐磨性和抗氧化性能。因此，TiN、TiC、CrN等傳統硬質涂層已無法滿足刀具的使用要求，于是開發高性能硬質涂層就成為改善高速切削刀具的使用壽命和生產效率的急需攻克的技術難題。在此背景下，國外近年發展的納米復合超硬涂層取得了明顯的應用效果。所謂納米復合超硬涂層是指納米尺寸的晶相均勻鑲嵌于非晶骨架基體中形成的微觀復合結構，如圖I所示。與傳統硬質涂層不同，由于納米復合結構特有的組織協調性，使此類涂層顯示出很高的硬度O 40GPa)、良好的高溫抗氧化性能O 800°C)等，在嚴酷服役條件下的高速干切削刀具和高溫成型模具領域具有巨大的應用潛力。TiSiN是早期納米復合超硬涂層的典型代表，其硬度在40GPa以上，但高溫抗氧化溫度只能達到800°C。近年來，為進一步提高TiSiN超硬涂層的抗氧化溫度，國外開始在TiSiN涂層中加入高溫性能優異的Al元素，獲得了具有納米復合結構的TiAlSiN超硬涂層，它的抗氧化溫度可以提高到1000°C以上。納米復合超硬涂層制備方法現今主要分為三類，一是磁控濺射沉積技術，該方法具有成分調控和結構優化方便，以及膜層致密和表面光潔度高等優點，目前主要應用在裝飾工件和部分工模具上。但磁控濺射的主要缺點是涂層結合強度不高，沉積速率較慢，難以滿足嚴酷服役條件下的工件表面強化要求。二是電弧離子鍍沉積技術，電弧離子鍍具有沉積速率快、結合強度高等優點，目前主要應用在各種基體材料的刀具和模具上。但電弧離子鍍涂層中的液滴由于制備原理本身的限制，始終無法徹底消除，導致涂層結構較為疏松，表面粗糙度差等。三是以脈沖直流PCVD為代表的等離子體輔助化學氣相沉積，該方法建立在化學氣相沉積基礎上，因此，涂層具有較高的結合強度和良好的綜合使用性能，但主要不足是沉積溫度較高，涂層中的Cl含量無法完全消除而影響涂層腐蝕性能和力學性能。目前該技術主要應用在硬質合金基體的刀具和模具上。 如上所述，現今國內外納米復合超硬涂層的制備均是采用單一的磁控濺射、電弧離子鍍或脈沖直流PCVD技術。針對上述幾種方法的缺點，申請人開發出一種采用電弧與磁控灘射復合鍛膜技術(Hybrid Arc-Magnetron Sputtering Deposition, HAMSD),制備TiAlSiN納米復合超硬涂層的新方法。該方法通過引入電弧放電到磁控濺射沉積涂層過程中，通過電弧離子鍍先在基體表面制備一層TiN過渡層，顯著提高了涂層與基體的結合強度，隨后，TiAlSiN涂層由電弧沉積和磁控濺射沉積復合完成。這一獨特的復合沉積工藝既保證了涂層結合強度的提高，又保證了涂層沉積速率、涂層致密性和抗氧化性能的提高。
發明內容
基于上述傳統硬質涂層性能的不足，以及現有納米復合超硬涂層制備技術的缺點，本發明的目的在于，提供一種耐磨損和抗氧化性能優異的TiAlSiN納米復合超硬涂層制備的新方法，該方法制備的TiAlSiN涂層材料，應用于高速切削刀具和高溫使用的模具表面涂覆處理后，有望顯著提高它們的使用壽命和加工效率。為了達到上述目的，本發明采取如下的解決方案一種耐磨損和抗氧化的納米復合TiAlSiN超硬涂層的制備方法，其特征在于，該 方法包括下列步驟I)將基體預處理后放入電弧與磁控濺射復合鍍膜設備中的轉架桿上，該轉架桿隨轉架臺轉動，或者自轉，以保證鍍膜過程的均勻性；2)以柱弧Ti靶作為Ti源，通過柱弧電源電流控制柱弧Ti靶的濺射率；以平面Si靶、Al靶作為相應元素的來源，平面Si靶和Al靶以對靶的方式安置在爐體內壁上，通過調整中頻脈沖電源的功率控制靶的濺射率；采用高純Ar作為主要離化氣體，保證有效的輝光放電過程；采用高純凡作為反應氣體，使其離化并與Ti、Si、Al元素結合，在基體表面沉積形成TiAlSiN涂層；3)制備工藝條件A)工件等離子體清洗工件裝入真空爐后,通入10ml/min的Ar到真空室，當真空室氣壓達到6Pa時，開偏壓至-IOOOV對真空室工件表面進行轟擊清洗，持續20min ;然后開柱弧Ti靶，柱弧電流60A,利用電弧進一步對工件表面轟擊清洗，持續5min ；B )過渡層制備工件清洗完成后，調節Ar流量到20ml/min，將真空室氣壓調至0. 3Pa，開啟柱弧Ti靶，柱弧電流為60A，調整偏壓到-500V，然后通入流量為10ml/min的N2,在工件表面鍍制一層約I微米厚的TiN過渡層，持續20min ；OTiAlSiN 涂層制備將偏壓調整為-100V，按Ar和N2流量比1:2向真空室通入Ar和N2混合氣體，調整真空室氣壓為0. 3Pa，柱弧Ti靶電流保持60A，打開Si靶、Al靶的控制電源，逐漸將Si靶、Al靶的電源功率分別調至3kW、5kW，在TiN過渡層上進行TiAlSiN涂層制備，鍍膜過程中真空室溫度為200°C，鍍膜時間140min，即可在基體表面上獲得TiAlSiN納米復合超硬涂層。經測定，采用本發明方法制備的TiAlSiN涂層，厚度為3. 5微米，化學成分含量為Ti 25at. %，A1 16at. %, Si llat. %,N 48at. %。涂層顯微硬度40GPa，在室溫干摩擦和對副為GCrl5條件下，銷盤實驗測出的TiAlSiN涂層的摩擦系數約為0. 7，表明涂層具有優良的耐磨損性能。將所制備的TiAlSiN涂層在空氣爐中加熱到1000°C，保溫I小時，冷卻到室溫后，外觀檢測沒有發現涂層表面有氧化，或開裂及脫落現象，通過X射線衍射晶體結構微觀檢測，TiAlSiN涂層表面沒有出現任何形式的氧化產物，證實TiAlSiN涂層抗氧化溫度可以達到1000°C，表明涂層具有優良的抗氧化性能。
圖I為納米復合超硬涂層材料微觀結構示意圖。圖2為電弧與磁控濺射復合鍍膜(HAMSD)設備結構示意圖。圖3為納米復合TiAlSiN超硬涂層截面結構形貌。
圖4為納米復合TiAlSiN超硬涂層表面形貌。圖5為納米復合TiAlSiN超硬涂層摩擦系數曲線。以下結合附圖和發明人給出的實施例對本發明作進一步的詳細說明。
具體實施例方式本實施例給出一種采用電弧與磁控濺射復合鍍膜技術(HAMSD)，在高速鋼表面制備TiAlSiN納米復合超硬涂層的方法，參見圖1、2、3、4、5。需要說明的是，本發明的方法制備的耐磨損和抗氧化的TiAlSiN納米復合超硬涂層，可以在任何刀具、模具選用的材料上進行，并不限于該實施例。本實施例的具體制備過程是(I)采用經1170°C淬火，550°C回火后的硬度為HRC=60的高速鋼基體作為樣品，經表面除油、拋光后浸入丙酮中超聲波清洗，酒精脫水；(2)將預處理好的樣品作為基體材料放入電弧與磁控濺射復合鍍膜設備中。如圖2所示，電弧與磁控濺射復合鍍膜設備至少包括真空室I、轉臺架2、偏壓3、轉架桿4、平面Si靶和平面Al靶5、永磁體6、柱弧Ti靶7、加熱器8、泵組9，樣品置于轉架桿4上，轉架桿4可以隨轉臺架2轉動，也可以自轉，這樣就保證了鍍膜過程的均勻性。(3)采用(j560X495mm柱弧Ti靶7作為Ti源，有效提高膜基結合強度，通過柱弧電源電流控制柱弧Ti靶7的濺射率；靶材采用尺寸為435X95X IOmm的平面Si靶、435 X 95 X IOmm的平面Al靶5作為相應元素的來源，如圖2所示，采用平面對靶的方式將平面Si靶和Al靶安置在爐體內壁上，并通過調整中頻脈沖電源的功率控制上述平面Si靶和Al靶的濺射率；采用高純Ar作為主要離化氣體，保證有效的輝光放電過程；采用高純N2作為反應氣體，使其離化并與各靶中的Ti、Si、Al元素結合，在高速鋼基體表面沉積形成TiAlSiN 涂層。(4) TiAlSiN涂層的優化工藝條件為A)工件等離子體清洗工件裝入真空爐后,通入10ml/min的Ar到真空室，當真空室氣壓達到6Pa時，開偏壓至-IOOOV對真空室工件表面進行轟擊清洗，持續20min ;然后開柱弧Ti靶，柱弧電流60A,利用電弧進一步對工件表面轟擊清洗，持續5min ；B)過渡層制備工件清洗完成后，調節Ar流量到20ml/min，將真空室氣壓調至0. 3Pa，開啟柱弧Ti靶，柱弧電流為60A，調整偏壓到-500V，然后通入流量為10ml/min的N2,在基體表面鍍制一層約I微米厚的TiN過渡層，持續20min ；OTiAlSiN 涂層制備將偏壓調整為-100V，按Ar和N2流量比1:2向真空室通入Ar和N2混合氣體，調整真空室氣壓為0. 3Pa，柱弧Ti靶電流保持60A，打開Si靶、Al靶的控制電源，逐漸將Si靶、Al靶的電源功率分別調至3kW、5kW，在TiN過渡層上進行TiAlSiN涂層制備，鍍膜過程中真空室溫度為200°C，鍍膜時間140min。在上述工藝條件下，即可獲得納米復合結構的TiAlSiN超硬涂層。
經測定，本實施例制備的TiAlSiN涂層厚度為3. 5微米，化學成分含量為Ti 25at. %，Al 16at. %，Si llat. %，N 48at. %。涂層顯微硬度40GPa，在室溫干摩擦和對副為GCrl5條件下，通過銷盤實驗對TiAlSiN涂層摩擦磨損性能的試驗，測出的TiAlSiN涂層的摩擦系數約為0. 7，表明涂層具有優良的耐磨損性能。將所制備的TiAlSiN涂層在空氣爐中加熱到1000°C，保溫I小時，冷卻到室溫后，外觀檢測沒有發現涂層表面有氧化，或開裂及脫落現象，通過X射線衍射晶體結構微觀檢測，TiAlSiN涂層表面沒有出現任何形式的氧化產物，證實TiAlSiN涂層抗氧化溫度可以達到1000°C，表明涂層具有優良的抗氧化性能。
權利要求
1.一種耐磨損和抗氧化的納米復合TiAlSiN超硬涂層的制備方法，其特征在于，該方法包括下列步驟 1)將基體預處理后放入電弧與磁控濺射復合鍍膜設備中的轉架桿上，該轉架桿隨轉架臺轉動，或者自轉，以保證鍍膜過程的均勻性； 2)以柱弧Ti靶作為Ti源，通過柱弧電源電流控制柱弧Ti靶的濺射率；以平面Si靶、Al靶作為相應元素的來源，平面Si靶和Al靶以對靶的方式安置在爐體內壁上，通過調整中頻脈沖電源的功率控制靶的濺射率；采用高純Ar作為主要離化氣體，保證有效的輝光放電過程；采用高純N2作為反應氣體，使其離化并與Ti、Si、Al元素結合，在基體表面沉積形成TiAlSiN 涂層； 3)制備エ藝條件 A)エ件等離子體清洗 エ件裝入真空爐后，通入10ml/min的Ar到真空室，當真空室氣壓達到6Pa時，開偏壓至-IOOOV對真空室エ件表面進行轟擊清洗，持續20min ;然后開柱弧Ti靶，柱弧電流60A，利用電弧進一步對エ件表面轟擊清洗，持續5min ； B)過渡層制備 エ件清洗完成后，調節Ar流量到20ml/min，將真空室氣壓調至O. 3Pa，開啟柱弧Ti靶，柱弧電流為60A，調整偏壓到-500V，然后通入流量為10ml/min的N2，在エ件表面鍍制ー層I微米厚的TiN過渡層，持續20min ； OTiAlSiN涂層制備 將偏壓調整為-100V，按Ar和N2流量比1:2向真空室通入Ar和N2混合氣體，調整真空室氣壓為O. 3Pa，柱弧Ti靶電流保持60A，打開Si靶、Al靶的控制電源，逐漸將Si靶、Al靶的電源功率分別調至3kW、5kW，在TiN過渡層上進行TiAlSiN涂層制備，鍍膜過程中真空室溫度為200°C，鍍膜時間140min，即可在基體表面上獲得TiAlSiN納米復合超硬涂層。
2.如權利要求I所述的方法，其特征在于，所述的預處理包括表面除油、拋光后浸入丙酮中超聲波清洗和酒精脫水。
全文摘要
本發明公開了一種耐磨損和抗氧化的納米復合TiAlSiN超硬涂層的制備方法，將基體預處理后放入電弧與磁控濺射復合鍍膜設備中，以柱弧Ti靶作為Ti源，通過柱弧電源電流控制柱弧Ti靶的濺射率；以平面Si靶、Al靶作為相應元素的來源，平面Si靶和Al靶以對靶的方式安置在爐體內壁上，通過調整中頻脈沖電源的功率控制靶的濺射率；采用高純Ar作為主要離化氣體，保證有效的輝光放電過程；采用高純N2作為反應氣體，使其離化并與Ti、Si、Al元素結合，在基體表面沉積形成TiAlSiN涂層，所制備的TiAlSiN涂層厚度為3.5微米，涂層顯微硬度40GPa，摩擦系數約為0.7，TiAlSiN涂層抗氧化溫度可以達到1000℃，具有優良的抗氧化性能和耐磨損性能。
文檔編號C23C14/22GK102653855SQ20121013926
公開日2012年9月5日 申請日期2012年5月5日 優先權日2012年5月5日
發明者馬勝利 申請人:馬勝利