專利名稱：具有硬質(zhì)涂層的被覆件及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種具有硬質(zhì)涂層的被覆件及該被覆件的制備方法。
背景技術(shù)：
高切削速度、高進(jìn)給速度、高可靠性、高精度和長(zhǎng)壽命是目前刀具的發(fā)展方向，而不用或少用冷卻液的干式切削技木，由于效率高，對(duì)環(huán)境污染小，正逐步成為切削技術(shù)發(fā)展的主流。但是這些技術(shù)對(duì)刀具涂層的性能提出了更高的要求，尤其是長(zhǎng)時(shí)間的干式切削將導(dǎo)致刀具與被切削件接觸溫度迅速升至600-800°C以上，這些苛刻的條件要求涂層同時(shí)具有高硬度、低摩擦系數(shù)及優(yōu)異的高溫抗氧化性能。目前商業(yè)化較為成功的刀具涂層是TiAlN 涂層，該涂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和耐磨性能。但是，普通的TiAlN涂層的HV硬度難以超過30GPa，抗氧化溫度為800°C以下，已經(jīng)不能很好的滿足某些較高硬度材料的切削加工。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供ー種具有具有硬質(zhì)涂層的被覆件，該被覆件具有較高硬度、 耐磨損及優(yōu)良的高溫抗氧化性能。另外，還有必要提供ー種上述被覆件的制備方法。ー種具有硬質(zhì)涂層的被覆件，包括硬質(zhì)基體及形成于該基體上的結(jié)合層，該被覆件還包括形成于該結(jié)合層上的納米硬質(zhì)涂層，該納米硬質(zhì)涂層包括多層TiAlN層和多層 SiN層，所述TiAlN層和SiN層交替堆疊，該納米硬質(zhì)涂層經(jīng)交替沉積所述TiAlN層和SiN 層后進(jìn)行氮化熱處理制得。ー種具有硬質(zhì)涂層的被覆件的制備方法，包括以下步驟提供硬質(zhì)基體；提供一磁控濺射設(shè)備，將該硬質(zhì)基體放入該磁控濺射設(shè)備的轉(zhuǎn)架上，在該磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)相對(duì)設(shè)置鈦鋁合金靶及硅靶；開啟鈦鋁合金靶，在硬質(zhì)基體上濺射ー結(jié)合層；同時(shí)開啟鈦鋁合金靶和硅靶，以氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體，在結(jié)合層上交替濺射多層TiAlN 層和多層SiN層，以形成納米硬質(zhì)涂層，該TiAlN層和該SiN層交替堆疊；在氮?dú)鈿夥障聦?duì)該納米硬質(zhì)涂層進(jìn)行氮化熱處理。本發(fā)明的具有硬質(zhì)涂層的被覆件包括納米硬質(zhì)涂層，該交替堆疊經(jīng)交替沉積多層 TiAlN層和多層SiN層后進(jìn)行氮化熱處理制得。由于SiN層自身具有很高的硬度和耐磨性能，加之交替堆疊的TiAlN層和SiN層之間存在多晶超晶格硬化效應(yīng)，使得納米硬質(zhì)涂層整體具有較高的硬度。而且，該納米硬質(zhì)涂層經(jīng)過氮化熱處理后，將沉積過程中沒來得及反應(yīng)的金屬粒子進(jìn)ー步氮化，進(jìn)ー步提高了涂層的整體硬度和耐磨性能。


圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例的被覆件的剖視示意圖。圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的被覆件的制備方法中所用磁控濺射設(shè)備示意圖。主要元件符號(hào)說明被覆件10
硬質(zhì)基體20
5ロ ロ te30
納米硬質(zhì)涂層40
TiAlN層42
SiN層44
磁控濺射設(shè)備1
真空室2
真空泵3
轉(zhuǎn)架4
鈦鋁合金靶5
硅靶6
氣源通道具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明較佳實(shí)施例具有硬質(zhì)涂層的被覆件10包括硬質(zhì)基體20、形成于硬質(zhì)基體20上的結(jié)合層30、形成于結(jié)合層30上的納米硬質(zhì)涂層40。該硬質(zhì)基體20的材質(zhì)可以為高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、不銹鋼、鎂合金及鋁合金寸。該結(jié)合層30為ー鈦鋁合金層，該結(jié)合層30中鈦原子與鋁原子個(gè)數(shù)比大約為 1 1。該結(jié)合層30的厚度可為0.05 0.2 μ m，優(yōu)選為0. 1 μ m，其用于提高納米硬質(zhì)涂層 40與硬質(zhì)基體20之間的結(jié)合力。該納米硬質(zhì)涂層40包括多層TiAlN層42和多層SiN層44，所述TiAlN層42和 SiN層44交替堆疊。該納米硬質(zhì)涂層40經(jīng)交替沉積所述TiAlN層42和SiN層44后進(jìn)行氮化熱處理制得。所述TiAlN層42中鈦原子與鋁原子個(gè)數(shù)比大約為1 1;而鈦原子與鋁原子個(gè)數(shù)之和與氮原子個(gè)數(shù)比大約為1 0.9 1 1。所述SiN層44中硅原子與氮原子個(gè)數(shù)比大約為1 1 1 1.3。每ー TiAlN層42和與其相鄰的SiN層44的厚度之和大約為3 15nm，較佳為10 15nm。該納米硬質(zhì)涂層40的總厚度大約為1 2. 5微米。該結(jié)合層30及該納米硬質(zhì)涂層40可通過磁控濺射(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(chǎn)品外殼及各種建筑裝飾件等。上述的被覆件10的制備方法，主要包括如下步驟請(qǐng)參閱圖1，提供所述硬質(zhì)基體20，并對(duì)硬質(zhì)基體20進(jìn)行清洗。該步驟可將硬質(zhì)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(jìn)行震動(dòng)清洗，以除去承鍍基體表面的雜質(zhì)和油污等，清洗完畢后烘干備用。請(qǐng)參閱圖2，提供一磁控濺射設(shè)備1，本實(shí)施例為射頻磁控濺射設(shè)備。磁控濺射設(shè)備1包括一真空室2、用以對(duì)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(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)架4及相對(duì)設(shè)置的鈦鋁合金靶5和硅靶6，該鈦鋁合金靶5中鋁原子百分比為50%。轉(zhuǎn)架4帶動(dòng)硬質(zhì)基體20做圓周運(yùn)行，且硬質(zhì)基體20在隨轉(zhuǎn)架4運(yùn)行的同時(shí)也進(jìn)行自轉(zhuǎn)。鍍膜吋，濺射氣體與反應(yīng)氣體經(jīng)由氣源通道7進(jìn)入真空室2。在硬質(zhì)基體20上濺射該結(jié)合層30。將經(jīng)上述清洗的硬質(zhì)基體20放置于磁控濺射設(shè)備1的轉(zhuǎn)架4上，對(duì)真空室2抽真空至1.0X 10_3 8. 0 X IO^Pa后通入濺射氣體氬氣，氬氣流量為150 300sccm (標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)毫升/分鐘)，硬質(zhì)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(diào)節(jié)真空室2內(nèi)溫度為150 250，對(duì)硬質(zhì)基體20濺射5 10分鐘，以于硬質(zhì)基體20表面形成該由鈦鋁合金形成的結(jié)合層30。在結(jié)合層30上交替濺射多層TiAlN層42和多層SiN層44，以形成該納米硬質(zhì)涂層40。保持硬質(zhì)基體20偏壓不變，調(diào)節(jié)氬氣流量為300 400SCCm，同時(shí)向真空室通入氮?dú)?，氮?dú)獾牧髁繛?0 130SCCm ；調(diào)節(jié)鈦鋁合金靶5的功率為400 500瓦，同時(shí)開啟硅靶 6電源，硅靶6的功率為300 400瓦，設(shè)置所述轉(zhuǎn)架4的轉(zhuǎn)速為2 5rpm(revolution per minute，轉(zhuǎn)/分鐘)，進(jìn)而控制硬質(zhì)基體20交替途經(jīng)鈦鋁合金靶5和硅靶6，從而在硬質(zhì)基體20上交替沉積TiAlN層42和SiN層44。沉積時(shí)間約為30 120分鐘。鍍膜結(jié)束后，關(guān)閉靶材電源、偏壓、氣流等，待真空室2溫度降至接近室溫時(shí)取出鍍覆有結(jié)合層30及納米硬質(zhì)涂層40的硬質(zhì)基體20。 接著，對(duì)該納米硬質(zhì)涂層40進(jìn)行氮化熱處理。將該鍍覆有結(jié)合層30及納米硬質(zhì)涂層40的硬質(zhì)基體20放入高溫?zé)崽幚頎t中，在熱處理爐中不斷地通入氮?dú)?，將熱處理爐內(nèi)的空氣全部排出，形成氮?dú)鈿夥铡?duì)該熱處理爐進(jìn)行升溫，升溫速率為8 12°C /min,當(dāng)該熱處理爐升溫至500 550(即熱處理溫度)吋，保持該溫度范圍30-60分鐘。該步驟中，氮?dú)馀c納米硬質(zhì)涂層40中未反應(yīng)完全的鈦鋁金屬相繼續(xù)反應(yīng)生成接近標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比的難熔化合物相，使TiAlN層42中鈦原子與鋁原子個(gè)數(shù)之和與氮原子個(gè)數(shù)比大約為1 0.9 1 1，使SiN層44中硅原子與氮原子個(gè)數(shù)比大約為1 1 1 1.3，而未經(jīng)該氮化熱處理的TiAlN層42中鈦原子與鋁原子個(gè)數(shù)之和與氮原子個(gè)數(shù)比要大于1 0. 9，未經(jīng)氮化熱處理的SiN層44中硅原子與氮原子個(gè)數(shù)比要大于1 1，即氮化熱處理后使TiAlN層42及 SiN層44氮的含量提高了，以提高納米硬質(zhì)涂層40整體的硬度與耐磨性能。本發(fā)明的具有硬質(zhì)涂層的被覆件10包括多層TiAlN層42和多層SiN層44交替沉積而成的納米硬質(zhì)涂層40，由于SiN層44自身具有很高的硬度和耐磨性能，加之每ー TiAlN層42和SiN層44的厚度都是納米級(jí)別，TiAlN層42和SiN層44之間存在多晶超晶格硬化效應(yīng)，使得納米硬質(zhì)涂層40整體具有較高的硬度。而且，該納米硬質(zhì)涂層40經(jīng)過氮化熱處理后，將沉積過程中沒來得及反應(yīng)的金屬粒子進(jìn)ー步氮化，生成接近標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計(jì)量比的難熔化合物相，使進(jìn)ー步提高了涂層的整體硬度和耐磨性能。可以理解，上述被覆件10的制備方法還可包括濺射該結(jié)合層30前，在所述磁控濺射設(shè)備內(nèi)對(duì)鈦鋁合金靶5和硅靶6進(jìn)行濺射清洗，以去除靶材表面可能形成的氧化物等雜質(zhì)。實(shí)施例1選用316不銹鋼作為硬質(zhì)基體，對(duì)基體進(jìn)行清洗，然后在基體上濺鍍結(jié)合層及納米硬質(zhì)涂層，最后對(duì)納米硬質(zhì)涂層進(jìn)行氮化熱處理，各步驟的具體操作如上所述。濺鍍結(jié)合層的條件為真空室抽真空至3. OX 10_3Pa，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(shí)間為5分鐘。濺鍍納米硬質(zhì)涂層的條件為真空室溫度為150，氬氣流量為300sCCm，氮?dú)饬髁繛?0SCCm，基體偏壓為-150V，鈦鋁合金靶功率為400瓦，硅靶功率為300瓦，轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速為 2rpm，濺射時(shí)間為40分鐘。氮化熱處理?xiàng)l件為熱處理爐中充氮?dú)?，熱處理爐升溫速率為8°C /min，熱處理溫度為524 5 °C，熱處理時(shí)間為30分鐘。實(shí)施例2選用高速鋼刀具作為硬質(zhì)基體，對(duì)基體進(jìn)行清洗，然后在基體上濺鍍結(jié)合層及納米硬質(zhì)涂層，最后對(duì)納米硬質(zhì)涂層進(jìn)行氮化熱處理，各步驟的具體操作同實(shí)施例1。濺鍍結(jié)合層的條件為真空室抽真空至3. OX 10_3Pa，真空室溫度為200°C，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(shí)間為5分鐘。濺鍍納米硬質(zhì)涂層的條件為真空室溫度為200°C，氬氣流量為350sCCm，氮?dú)饬髁繛閘OOsccm，基體偏壓為-200V，鈦鋁合金靶功率為450瓦，硅靶功率為350瓦，轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速為4rpm，濺射時(shí)間為70分鐘。氮化熱處理?xiàng)l件為熱處理爐中充氮?dú)?，熱處理爐升溫速率為10°C /min，熱處理溫度為530 532 °C，熱處理時(shí)間為40分鐘。實(shí)施例3選用鎢鋼刀具作為硬質(zhì)基體，對(duì)基體進(jìn)行清洗，然后在基體上濺鍍結(jié)合層及納米硬質(zhì)涂層，最后對(duì)納米硬質(zhì)涂層進(jìn)行氮化熱處理，各步驟的具體操作同實(shí)施例1。濺鍍結(jié)合層的條件為真空室抽真空至3. OX 10_3Pa，真空室溫度為240°C，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(shí)間為5分鐘。濺鍍納米硬質(zhì)涂層的條件為真空室溫度為240°C，氬氣流量為400sCCm，氮?dú)饬髁繛?30SCCm，基體偏壓為-300V，鈦鋁合金靶功率為500瓦，硅靶功率為400瓦，轉(zhuǎn)架轉(zhuǎn)速為5rpm，濺射時(shí)間為100分鐘。氮化熱處理?xiàng)l件為熱處理爐中充氮?dú)?，熱處理爐升溫速率為12°C /min，熱處理溫度為548 550°C，熱處理時(shí)間為60分鐘。對(duì)比例1-3對(duì)比例1-3除了沒有后續(xù)的氮化熱處理步驟之外，其它各步驟的具體操作與條件分別與實(shí)施例1-3相同。對(duì)實(shí)施例1-3及對(duì)比例1-3所制備的試樣進(jìn)行耐磨性測(cè)試及納米硬度測(cè)試測(cè)試； 對(duì)實(shí)施例1-3所得的試樣還進(jìn)行了高溫抗氧化測(cè)試；并對(duì)實(shí)施例2和3制備的刀具試樣進(jìn)行了干式切削試驗(yàn)，各測(cè)試條件及結(jié)果如下(1)耐磨性測(cè)試測(cè)試儀器為線性耐磨耗測(cè)試儀，測(cè)試條件為載荷為1kg，行程長(zhǎng)度為1. 5英尺，磨耗速率為25次/分鐘。試結(jié)果顯示，實(shí)施例1-3所制備的被覆件經(jīng)磨耗200次均為見明顯脫落；而對(duì)比例 1-3所制備的試樣經(jīng)磨耗100次即有膜層輕微剝落，150次后膜層明顯脫落，說明經(jīng)氮化熱處理的膜層的耐磨性明顯高于未經(jīng)氮化熱處理的膜層。(2)納米硬度測(cè)試測(cè)試儀器為納米硬度計(jì)，測(cè)試條件為溫度20 25°C，空氣濕度為30% 50%， 加載5g大小的力。測(cè)試結(jié)果顯示，實(shí)施例1-3所制備的被覆件的納米硬度為44 46GPa ；而對(duì)比例 1-3所制備的試樣的表面膜層的納米硬度為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(cè)試測(cè)試儀器為管式熱處理爐，測(cè)試條件為升溫速率為10°C /min，熱處理溫度為 820°C，保溫時(shí)間為0. 5h。測(cè)試結(jié)果顯示，由本發(fā)明實(shí)施例1-3所制備的被覆件經(jīng)820°C熱處理0. 5h后均未見膜層氧化、脫落等現(xiàn)象。(4)干式切削測(cè)試對(duì)實(shí)施例2和3所制備的刀具試樣進(jìn)行干式切削測(cè)試，測(cè)試條件為刀具進(jìn)給速度為lmm/min，切削速度為MOO轉(zhuǎn)/分鐘，被切削材料為鑄鐵。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，切削6分鐘后開始有膜層剝落現(xiàn)象。
權(quán)利要求
1.ー種具有硬質(zhì)涂層的被覆件，包括硬質(zhì)基體及形成于該基體上的結(jié)合層，其特征在于該被覆件還包括形成于該結(jié)合層上的納米硬質(zhì)涂層，該納米硬質(zhì)涂層包括多層TiAlN 層和多層SiN層，所述TiAlN層和SiN層交替堆疊，該納米硬質(zhì)涂層經(jīng)交替沉積所述TiAlN 層和SiN層后進(jìn)行氮化熱處理制得。
2.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于所述TiAlN層中鈦原子與鋁原子個(gè)數(shù)比為1 1 ；鈦原子與鋁原子個(gè)數(shù)之和與氮原子個(gè)數(shù)比為1 0.9 1 1。
3.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于所述SiN層中硅原子與氮原子個(gè)數(shù)百分比為1 1 1 1. 3。
4.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于每一TiAlN層和與其相鄰的SiN層的厚度之和為3 15nm，該納米硬質(zhì)涂層的總厚度為1 2. 5微米。
5.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于該結(jié)合層為ー鈦鋁合金層。
6.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于該硬質(zhì)基體為高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、不銹鋼、鎂合金及鋁合金中的ー種。
7.ー種具有硬質(zhì)涂層的被覆件的制備方法，包括以下步驟提供硬質(zhì)基體；提供一磁控濺射設(shè)備，將該硬質(zhì)基體放入該磁控濺射設(shè)備的轉(zhuǎn)架上，在該磁控濺射設(shè)備的真空室內(nèi)相對(duì)設(shè)置鈦鋁合金靶及硅靶；開啟鈦鋁合金靶，在硬質(zhì)基體上濺射ー結(jié)合層；同時(shí)開啟鈦鋁合金靶和硅靶，以氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體，在結(jié)合層上交替濺射多層TiAlN層和多層SiN層，以形成納米硬質(zhì)涂層，該TiAlN層和該SiN層交替堆疊；在氮?dú)鈿夥障聦?duì)該納米硬質(zhì)涂層進(jìn)行氮化熱處理。
8.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制備方法，其特征在于濺射所述結(jié)合層是在如下條件下進(jìn)行真空室內(nèi)真空度為1.0X10_3 8.0X10_3Pa，通入氬氣，氬氣流量為150 300sccm,硬質(zhì)基體施加偏壓至-100 -300V，鈦鋁合金靶的功率為300 500瓦，濺射時(shí)間為5 10分鐘。
9.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制備方法，其特征在于濺射所述納米硬質(zhì)涂層是在如下條件下進(jìn)行硬質(zhì)基體施加偏壓-100 -300V，同時(shí)通入氬氣和氮?dú)?，氬氣流量?300 400sccm，氮?dú)饬髁繛?0 1300sccm ；鈦鋁合金靶的功率為400 500瓦，硅靶的功率為300 400瓦，轉(zhuǎn)架的轉(zhuǎn)速為2 5rpm，沉積時(shí)間為30 120分鐘。
10.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制備方法，其特征在于該氮化熱處理是將該形成有該結(jié)合層及該納米硬質(zhì)涂層的硬質(zhì)基體放入高溫?zé)崽幚頎t中，向熱處理爐中通入氮?dú)庖孕纬傻獨(dú)鈿夥?，?duì)該熱處理爐以8 12°C /min的升溫速率進(jìn)行升溫，熱處理溫度為500 550°C，保持該熱處理溫度30-60分鐘。
11.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制備方法，其特征在于該結(jié)合層為ー鈦鋁合金層。
12.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制備方法，其特征在于該硬質(zhì)基體為高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、不銹鋼、鎂合金及鋁合金中的ー種。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有硬質(zhì)涂層的被覆件，包括硬質(zhì)基體、形成于該基體上的結(jié)合層及形成于該結(jié)合層上的納米硬質(zhì)涂層，該納米硬質(zhì)涂層包括多層TiAlN層和多層SiN層，所述TiAlN層和SiN層交替堆疊，該納米硬質(zhì)涂層經(jīng)交替沉積所述TiAlN層和SiN層后進(jìn)行氮化熱處理制得。本發(fā)明還提供一種上述被覆件的制備方法。本發(fā)明的被覆件具有較高硬度、耐磨損及優(yōu)良的高溫抗氧化性能。
文檔編號(hào)C23C14/35GK102586732SQ201110020359
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月17日
發(fā)明者張新倍, 彭立全, 蔣煥梧, 陳文榮, 陳正士 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司