專利名稱：一種提高金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及在基體上尤其是金屬或金屬合金基體上納米復(fù)合涂層，特別是涉及一種提高金屬基體或金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
自上世紀(jì)八十年代以來，以TiN (氮化鈦，俗稱鈦金)為代表的提高金屬材料性能的PVD技術(shù)與裝備，作為材料表面的改性技術(shù)之一，已在制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。TiN 涂層材料具有硬度高，摩擦系數(shù)小，良好的耐磨性和抗蝕性，它的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了工模具產(chǎn)業(yè)的一次革命。然而，單層TiN存在只有中等硬度(低于25GPa)、脆性大、不耐沖擊及抗氧化溫度不高等缺點(diǎn)。隨著機(jī)械加工向更高速和連續(xù)化生產(chǎn)以及極端環(huán)境下使用的工模具需求的增加，人們對工模具涂層的性能提出了更高的要求，如更高的涂層硬度、韌性和抗摩擦、磨損性能、耐腐蝕性能，涂層與基體界面結(jié)合性能等。因此出現(xiàn)了 TiAlN ,AlTiN ,AlCrN ,TiSiN > CrN, Al2O3等耐磨涂層，還有Mc^2、DLC、WC/C等各種潤滑涂層，以及梯度涂層、納米復(fù)合涂層等新的涂層結(jié)構(gòu)，使涂層的性能大為提高。復(fù)合多層膜、納米復(fù)合多層膜成為目前超硬涂層技術(shù)發(fā)展的重要方向。這些涂層不僅應(yīng)用于切削刀具、模具行業(yè)，也在結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域得到一定程度的應(yīng)用。我國在上世紀(jì)八十年代末，開發(fā)了相關(guān)的PVD設(shè)備和技術(shù)，目前主要用在裝飾行業(yè)方面，工具和結(jié)構(gòu)件行業(yè)也得到了一定的應(yīng)用。目前國際上PVD技術(shù)己發(fā)展到能進(jìn)行碳氮化鈦(TiCN)、氮化鈦(TiAlN)及類金剛石(DLC)等比TiN更高性能的鍍膜。例如MetaPlas Ionon公司生產(chǎn)的MZR-373和MZR-323 型陰極弧靶真空鍍膜爐，主要生產(chǎn)TiAlN單層鍍膜；德國CemeCon公司生產(chǎn)的CC800/9型磁控濺射靶真空鍍膜爐，可以生產(chǎn)金剛石和其他多種單層鍍膜。目前在工具行業(yè)中最先進(jìn)的鍍膜是“超級氮化物-AlTiN”單層鍍膜，其性能優(yōu)于TiAlN鍍層。CemeCon公司己經(jīng)有多層膜鍍層產(chǎn)品，但僅是在TiAlN鍍層外再鍍一層Al2O3，形成所謂的TIALN0X “外殼”，改善了 TiAlN鍍膜的硬度和結(jié)構(gòu)。在TiN涂層中加入Al元素形成TiAIN，性能得到很大的提高，最為顯著的是抗氧化溫度由TiN的600°C提高到800°C以上。TiAlN涂層具有硬度高、 氧化溫度高、熱硬性好、摩擦系數(shù)小和導(dǎo)熱率低等優(yōu)良特性，已逐步成為TiN涂層的替代材料。但是，目前TiAlN涂層與基體材料之間的結(jié)合力尚不能令人滿意，從而導(dǎo)致鍍膜工件上的TiAlN涂層易剝落，耐磨性差，壽命低。目前國內(nèi)少數(shù)工具廠己經(jīng)進(jìn)口了新的真空鍍膜爐進(jìn)行TiAlN等鍍膜生產(chǎn)，但因設(shè)備價格昂貴，應(yīng)用受到了限制。也有一些外企在國內(nèi)設(shè)鍍膜中心開展刀具的TiAlN等鍍膜業(yè)務(wù)，但其規(guī)模尚小。有報道說西安交大與北京航空航天大學(xué)合作開發(fā)的“新型脈沖PCVD模具表面強(qiáng)化設(shè)備與技術(shù)”，可以生產(chǎn)多層復(fù)合膜，但未見有納米結(jié)構(gòu)多層膜的報道。CrN膜與TiN相比，它的內(nèi)應(yīng)力低、韌性好、耐磨性好，同時它具有精細(xì)粒結(jié)構(gòu)、結(jié)合力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高、700°C以下良好的熱穩(wěn)定性，而且具有比TiN更好的耐腐蝕性能，在一定的應(yīng)用領(lǐng)域CrN薄膜有潛力代替TiN和TiCN薄膜。此外，CrN薄膜產(chǎn)額比較高，有利于大批量的工業(yè)生產(chǎn)，因此更具有實(shí)際意義。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種在基體上尤其是金屬或金屬合金基體上的一種提高金屬基體或金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)。提高了其與基體的結(jié)合力，不易剝落，并且具有較高的硬度和良好的抗腐蝕性能。為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下—種提高金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于在該基體上包括自下而上的第一 TiN膜、CrN膜、第二 TiN膜和TiAlN膜四層構(gòu)成。本實(shí)用新型采用多弧離子鍍技術(shù)沉積TiN/(TiN+CrN)/TiAlN納米復(fù)合涂層，以金屬Ti (純度為99. 95%)、Cr (純度為99. 9%)和Al (純度為99. 995%)作為靶材，N2 (純度為 99. 995%)作為反應(yīng)氣體，Ar (純度為99. 995%)作濺射氣體沉積TiN/(TiN+CrN)/TiAlN納米復(fù)合涂層。沉積順序?yàn)橐訲i靶材轟擊工件沉積TiN膜，以Cr靶材轟擊工件沉積CrN膜， 再以Ti靶材轟擊工件沉積TiN膜，最后以Al靶材轟擊工件沉積TiAlN膜。第一 TiN膜和第二 TiN膜的厚度分別為1 5Mm。CrN膜的厚度為1 IOMm。TiAlN膜的厚度為1 5Mm。，整個TiN/(TiN+CrN)/TiAlN納米復(fù)合涂層的厚度為l_30Mm。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)在金屬或金屬合金基體表明上設(shè)置了兩層TiN膜，第一 TiN膜有效提高了 CrN 與基體的結(jié)合力，第二 TiN膜有效提高了 TiAlN與CrN層的結(jié)合力。(2)由于CrN膜內(nèi)應(yīng)力低、韌性好、耐磨性好，同時它有精細(xì)粒結(jié)構(gòu)、結(jié)合力強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性高、700°C以下良好的熱穩(wěn)定性，采用CrN膜消除殘余內(nèi)應(yīng)力，提高結(jié)合力、耐磨性和抗腐蝕性能。(3)由于在第一 TiN膜同TiAlN間夾有第二 TiN膜和CrN膜消除殘余內(nèi)應(yīng)力，提高了抗沖擊性能，避免使用過程中的破裂。(4)由于“納米效應(yīng)”，涂層的維氏硬度HV彡沘00。

圖1為本實(shí)用新型一種提高金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)剖面圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本實(shí)用新型技術(shù)方案前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。請參閱圖1，如圖所示，一種提高金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)，在材質(zhì)為合金結(jié)構(gòu)鋼基體5上包括自下而上的第一 TiN膜1作為打底層、CrN膜2作為過渡層、第二 TiN膜3和TiAlN膜4為表明保護(hù)層四層構(gòu)成。所述的第一 TiN膜和第二 TiN膜的厚度分別為1 5Mm。所述的CrN膜的厚度為1 IOMffl。所述的TiAlN膜的厚度為1 5Mm。合金結(jié)構(gòu)鋼可以是調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼和表面硬化結(jié)構(gòu)鋼。制備本實(shí)用新型提高金屬基體或金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)方法包括如下步驟[0018]①鍍前處理首先選擇或制備25mmX25mmX3mm合金結(jié)構(gòu)鋼基片，用金相砂紙逐級打磨至W04 (04)，然后拋光，拋光后在無水丙酮和無水乙醇中先后進(jìn)行超聲波清洗 lOmin，干燥后入鍍膜室真空室。②鍍前準(zhǔn)備分別安裝三個金屬靶材Ti (純度為99. 95%)靶材、Cr (純度為99. 9%) 靶材和Al (純度為99. 995%)靶材，使三個靶材之間呈120°角；然后將處理后的合金結(jié)構(gòu)鋼基片安裝于試樣臺，并壓緊以防脫落。③多弧離子鍍膜過程(1)抽空真空至5父10’￡1，通入氬氣至8X10_2Pa，基體加載負(fù)偏壓-800V，進(jìn)行氬氣濺射清洗試樣表面lOmin，再抽空至5 X KT3Pa ；(2)通入氮?dú)庵?X KT1Pa,給合金結(jié)構(gòu)鋼基片施加-400V的基體負(fù)偏壓。加熱 Imin ；(3)通入氮?dú)庵?X KT1Pa,給合金結(jié)構(gòu)鋼基片施加-200V的基體負(fù)偏壓，打開Ti 靶材，靶電流為60A，對合金結(jié)構(gòu)鋼基片轟擊140min，實(shí)現(xiàn)TiN膜沉積，TiN層厚度為3Mm ；(4)維持氮?dú)? X IO^1Pa氣氛，關(guān)閉Ti靶材，打開Cr靶材，靶電流為60A，對合金結(jié)構(gòu)鋼基片轟擊230min，實(shí)現(xiàn)CrN膜沉積，CrN層厚度為5Mm ；(5)維持氮?dú)? X IO^1Pa氣氛，關(guān)閉Cr靶材，打開Ti靶材，靶電流為60A，對合金結(jié)構(gòu)鋼基片轟擊90min，實(shí)現(xiàn)TiN膜沉積，TiN層厚度為2Mm ；(6)維持氮?dú)釹XKT1I^氣氛，關(guān)閉Ti靶材，打開Al靶材，靶電流為70A，對合金結(jié)構(gòu)鋼基片轟擊210min，實(shí)現(xiàn)TiAlN膜沉積，TiAlN層厚度為5Mm。經(jīng)試驗(yàn)表明，本實(shí)用新型TiN/(TiN+CrN)/TiAlN納米復(fù)合涂層提高了與基體的結(jié)合力，使用方便，不易剝落，具有較高的硬度和良好的抗腐蝕性能，延長了使用壽命。
權(quán)利要求1.一種提高金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于在該基體上包括自下而上的第一 TiN膜、CrN膜、第二 TiN膜和TiAlN膜四層構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的第一 TiN膜和第二 TiN膜的厚度分別為1 5Mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的CrN膜的厚度為1 IOMm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種提高金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的TiAlN膜的厚度為1 5Mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種提高金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬合金基體為合金結(jié)構(gòu)鋼基體。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種提高金屬合金基體硬度和抗腐蝕性能的涂層結(jié)構(gòu)，在該基體上包括自下而上的第一TiN膜、CrN膜、第二TiN膜和TiAlN膜四層構(gòu)成。提高了與基體的結(jié)合力，使用方便，不易剝落，具有較高的硬度和良好的抗腐蝕性能，延長了使用壽命。
文檔編號C23C14/06GK201971890SQ20112002344
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者周勇其, 袁鵬斌, 黃本生, 黃龍鵬 申請人:上海海隆石油管材研究所, 上海海隆石油鉆具有限公司