專利名稱：ZrO的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種陶瓷涂層，具體是一種ZrO2/TiN硬質(zhì)納米多層涂層，用于切削工具材料表面涂覆陶瓷涂層的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
由于機械加工效率高，并且對環(huán)境造成的污染小，切削速度≥100m/min的高速干式切削目前正日益成為切削技術(shù)發(fā)展的主流。與此同時，高速、干式切削技術(shù)對刀具涂層的性能提出了更高的要求，除了要求涂層具有普通切削刀具涂層應有的高硬度、低摩擦系數(shù)等力學性能外，更需要涂層具有優(yōu)異的高溫抗氧化性。然而，現(xiàn)有的刀具涂層雖然都具有較高的硬度，但它們的抗氧化能力卻難以滿足高速、干式切削苛刻的服役條件。例如，目前最常用的TiN涂層的硬度約為23GPa，其抗氧化溫度約為500℃；TiCN涂層硬度雖高達40GPa，但抗氧化溫度卻只有400℃；目前應用前景最好的TiAlN涂層硬度為35GPa，抗氧化性溫度也可達到約800℃，但仍難以滿足高速、干式切削時刀具涂層前端高達1000℃以上的工作溫度。而另一方面，與氮化物涂層相比，氧化物陶瓷的力學性能，尤其是硬度要遜色很多，單獨作為工模具涂層使用效果不佳。
對現(xiàn)有技術(shù)進行的檢索發(fā)現(xiàn)，為了提高刀具涂層的抗氧化性，已有的專利技術(shù)(如美國專利US6565957，US6638571，US5766782和中國專利95108982.X等)采用在TiN等涂層的表面或中間增加一層或多層0.1～8μm厚度的Al2O3層，使之與氮化物層形成多層結(jié)構(gòu)的涂層。盡管致密的Al2O3層能顯著提高涂層的抗氧化性，但由于Al2O3的硬度遠低于氮化物，這種氮化物和Al2O3組成的多層涂層的硬度會明顯降低，從而影響到刀具涂層的切削功能的有效發(fā)揮。
ZrO2是一種具有優(yōu)異綜合性能的陶瓷材料，但由于硬度不高而未能單獨作為刀具涂層使用?；趦煞N氮化物以納米量級交替沉積形成的納米多層涂層，在其成分調(diào)制周期為約5～10nm時會產(chǎn)生硬度明顯升高的超硬效應。William D.Sproul New Routes in the preparation of mechanically hard films SCIENCE 1996，273(16)889-892(《科學》雜志，力學硬質(zhì)涂層制備的新途徑)，提出采用兩種氧化物制備納米多層涂層使其兼具高硬度和優(yōu)異抗氧化性能的技術(shù)路線，但是，按此技術(shù)路線制備的ZrO2/Al2O3和ZrO2/Y2O3均為獲得硬度提高的效果。其中，ZrO2/Al2O3由于Al2O3的非晶態(tài)使該多層涂層不能形成超硬效應所必須的共格界面，而ZrO2/Y2O3納米多層涂層雖然形成共格界面，但這兩種組成物剪切模量差不夠大也未能滿足納米多層和涂層產(chǎn)生超硬效應的必要條件發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有硬質(zhì)涂層高溫抗氧化性能方面的不足，提供一種適合于高速切削和干式切削的同時兼具較高硬度和優(yōu)異抗氧化性能的ZrO2/TiN硬質(zhì)納米多層涂層?？紤]到與其它氧化物(如SiO2、Al2O3)在沉積態(tài)以非晶形式存在不同，氣相沉積的ZrO2薄膜以晶體態(tài)存在，本發(fā)明采用ZrO2和高模量TiN組成納米多層膜。利用兩者之間的模量差異，并使TiN和ZrO2形成產(chǎn)生超硬效應所必須的共格外延生長結(jié)構(gòu)，從而使ZrO2/TiN納米多層膜獲得高硬度。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明提出的ZrO2/TiN硬質(zhì)納米多層涂層由ZrO2層和TiN層形成在金屬或陶瓷基體上，TiN層的厚度為0.4～1.2nm，ZrO2層的厚度為2.5～8nm，ZrO2/TiN硬質(zhì)納米多層涂層的總厚度為2～5μm。所述的ZrO2層和TiN層，交替沉積在金屬或陶瓷基體上形成。
由于其主體為層狀結(jié)構(gòu)的ZrO2而具有優(yōu)良的高溫抗氧化性，而插入的TiN與ZrO2形成的共格外延生長結(jié)構(gòu)又使其具有了較高的硬度，因此成為一種可滿足高速切削和干式切削的刀具涂層材料。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于在ZrO2中插入TiN以形成納米多層涂層，并嚴格控制納米多層涂層中TiN層的厚度在0.4～1.2nm范圍。在此厚度范圍內(nèi)，TiN層形成了與ZrO2四方結(jié)構(gòu)相同的贗晶體，并與ZrO2層形成共格外延生長，該納米多層涂層形成超晶格結(jié)構(gòu)的柱狀晶。這種特有的微結(jié)構(gòu)使得ZrO2/TiN納米多層涂層的硬度比ZrO2單層膜有較大提高，最高硬度達23GPa，明顯高于ZrO2單一涂層的硬度(約14.5GPa)。而該多層涂層中大量層狀的ZrO2作為主體材料將使這種納米多層涂層具有高達1100℃的抗氧化溫度。
本發(fā)明將具有優(yōu)異抗氧化性能和高溫化學穩(wěn)定性的ZrO2陶瓷作為模板材料，加入模量高、韌性好的TiN與之交替沉積，并通過微結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計，使所形成的納米多層涂層不僅具有比ZrO2單層涂層更高的硬度，而且還具有優(yōu)異的高溫抗氧化性。本發(fā)明制備得到的ZrO2/TiN納米多層涂層材料作為高速切削和干式切削的刀具保護涂層以及其他耐磨涂層，具有很大的應用價值。


圖1本發(fā)明ZrO2/TiN硬質(zhì)納米多層涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中TiN層1、ZrO2層2、基體3。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明ZrO2/TiN納米多層涂層由TiN層1和ZrO2層2交替沉積在金屬或陶瓷的基體3上組成，TiN層1的厚度為0.4～1.2nm，ZrO2層2的厚度為2.5～8nm，納米多層涂層的總厚度為2～5μm。
ZrO2層和TiN層以上述厚度交替沉積形成的納米多層涂層，其TiN層會形成與ZrO2相同的四方結(jié)構(gòu)贗晶體，并與ZrO2層相互共格外延生長。納米多層涂層形成超晶格結(jié)構(gòu)的柱狀晶。
本發(fā)明ZrO2/TiN納米多層涂層采用由兩個射頻陰極分別控制的TiN靶和ZrO2靶在氬氣氛中通過磁控濺射方法沉積于拋光的金屬或陶瓷表面獲得。
以下結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供實施實例實例一本發(fā)明ZrO2/TiN多層涂層的制備方法的具體工藝參數(shù)為Ar氣分壓為3.2×10-1Pa，ZrO2靶的濺射功率為150W，沉積時間為9秒，TiN靶的功率為50W，沉積時間為1秒，總濺射時間為2h，基體溫度＜200℃。由此得到的ZrO2/TiN多層涂層中ZrO2層的厚度為4.4nm，TiN層厚為0.4nm，總厚度2μm。涂層的硬度為19.6GPa。
實例二本發(fā)明ZrO2/TiN多層涂層的制備方法的具體工藝參數(shù)為Ar氣分壓為3.2×10-1Pa，ZrO2靶的濺射功率為150W，沉積時間為9秒，TiN靶的功率為50W，沉積時間為2秒，總濺射時間為2h，基體溫度＜200℃。由此得到的ZrO2/TiN多層涂層中ZrO2層的厚度為4.4nm，TiN層厚為0.8nm，總厚度2μm。涂層的硬度為23GPa。
實例三本發(fā)明ZrO2/TiN多層涂層的制備方法的具體工藝參數(shù)為Ar氣分壓為3.2×10-1Pa，ZrO2靶的濺射功率為150W，沉積時間為9秒，TiN靶的功率為50W，沉積時間為1秒，總濺射時間為3.5h，基體溫度＜200℃。由此得到的ZrO2/TiN多層涂層中ZrO2層的厚度為4.4nm，TiN層厚為1.2nm，總厚度3.5μm。涂層的硬度為21GPa。
實例四本發(fā)明ZrO2/TiN多層涂層的制備方法的具體工藝參數(shù)為Ar氣分壓為3.2×10-1Pa，ZrO2靶的濺射功率為150W，沉積時間為5秒，TiN靶的功率為50W，沉積時間為1秒，總濺射時間為3.5h，基體溫度＜200℃。由此得到的ZrO2/TiN多層涂層中ZrO2層的厚度為2.5nm，TiN層厚為0.4nm，總厚度3.5μm。涂層的硬度為20.2GPa。
實例五本發(fā)明ZrO2/TiN多層涂層的制備方法的具體工藝參數(shù)為Ar氣分壓為3.2×10-1Pa，ZrO2靶的濺射功率為150W，沉積時間為15秒，TiN靶的功率為50W，沉積時間為3秒，總濺射時間為5h，基體溫度＜200℃。由此得到的ZrO2/TiN多層涂層中ZrO2層的厚度為8nm，TiN層厚為1.2nm，總厚度5μm。涂層的硬度為19.1GPa。
權(quán)利要求
1.一種ZrO2/TiN硬質(zhì)納米多層涂層，其特征在于，ZrO2層和TiN層形成在金屬或陶瓷基體上，TiN層的厚度為0.4～1.2nm，ZrO2層的厚度為2.5～8nm，ZrO2/TiN硬質(zhì)納米多層涂層的總厚度為2～5μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZrO2/TiN硬質(zhì)納米多層涂層，其特征是，所述的ZrO2層和TiN層，交替沉積在金屬或陶瓷基體上形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ZrO2/TiN硬質(zhì)納米多層涂層，其特征是，TiN層在0.4～1.2nm時呈現(xiàn)與ZrO2相同的四方結(jié)構(gòu)贗晶，并與ZrO2形成共格界面的超晶格柱狀晶。
全文摘要
一種ZrO
文檔編號C23C14/35GK1888124SQ20061002913
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者李戈揚, 劉艷, 岳建嶺, 孔明, 戴嘉維 申請人:上海交通大學