專利名稱：一種TiCuN納米復(fù)合涂層的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
—種TiCuN納米復(fù)合涂層技術(shù)領(lǐng)域:本實(shí)用新型屬于金屬材料表面沉積納米復(fù)合涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氮化鈦銅(以下稱TiCuN)納米復(fù)合涂層。
背景技術(shù)：
:目前，隨著國(guó)家先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金或者高速鋼刀具提出了越來越高的要求。以數(shù)控機(jī)床為代表的機(jī)加工技術(shù)正朝著高速、高精度、高可靠性等方向發(fā)展。數(shù)控刀具表面涂層技術(shù)，尤其是以CVD及PVD制備的以TiN為代表的涂層刀具在提高各種合金的加工效率過程中獲得了廣泛的應(yīng)用，以及隨后開發(fā)出TiC、TiCN、TiAlN、AlTiN、CrAlN等涂層被開發(fā)出來并獲得實(shí)際應(yīng)用，但是因?yàn)榍邢鬟^程中的高溫對(duì)涂層的氧化、切屑對(duì)涂層的粘著磨損以及涂層本身的脆性問題，上述合金的加工難題并未得到徹底解決。例如，TiAlN涂層具有高硬度及良好的抗高溫氧化性能，明顯提高了加工效率及刀具使用壽命，但其較高的脆性及摩擦系數(shù)，限制了 TiAlN等涂層在高速、干切削及難切削合金等材料的應(yīng)用，還限制了其在高精度模具及其它耐磨減摩工件涂層方面的實(shí)際應(yīng)用。如何進(jìn)一步降低TiAlN等涂層的脆性，突破當(dāng)前涂層內(nèi)應(yīng)力大、膜基結(jié)合力差的問題，放置涂層在磨損之前因韌性較差而脫落上上述涂層需要繼續(xù)完善的目標(biāo)。為解決以上問題，在20世紀(jì)末提出了納米復(fù)合涂層的概念，即由納米晶-納米晶或納米晶-非晶形成的兩相或兩相以上的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合涂層得到了一定開發(fā)與應(yīng)用，如Blazers、Platit等國(guó)際涂層 大公司開發(fā)了電弧離子鍍制備的nc-TiN/a_Si3N4納米復(fù)合涂層，其抗高溫氧化性能和韌性得到了一定提高，但在實(shí)際應(yīng)用中，nc-TiN/a-Si3N4納米復(fù)合涂層的高摩擦系數(shù)導(dǎo)致切削過程中產(chǎn)生大量熱量，涂層刀具前刀面依然產(chǎn)生積屑瘤，且其韌性仍有待進(jìn)一步改善。因此，制備一種能具有較高硬度與高韌性且具有較低摩擦系數(shù)的新型復(fù)合涂層，對(duì)進(jìn)一步提高刀模具性能及使用壽命十分必要。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的技術(shù)目的是針對(duì)現(xiàn)有涂層材料體系的不足，提供一種具有較高硬度與高韌性且具有較低摩擦系數(shù)的TiCuN納米復(fù)合涂層。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案為:一種TiCuN納米復(fù)合涂層，它包括基體，其特征在于:在基體表面依次是鈦銅(以下稱TiCu)膜形成的過渡層和TiCuN層。所說的基體是指硬質(zhì)合金、高速鋼、耐熱模具鋼的工具或模具等。所說的TiCuN納米復(fù)合涂層的制備方法是:(I)鍍過渡層:采用鈦銅合金靶，當(dāng)真空室內(nèi)真空度達(dá)到5X10_3Pa lX10_2Pa時(shí)，對(duì)真空室加熱至30(T500°C ;向真空室通入氬氣，設(shè)定所需的氣體流量為20 200sccm，氣壓控制在0.5 2Pa之間；基體加脈沖負(fù)偏壓在-500 -1000V范圍，使氣體發(fā)生輝光放電，對(duì)樣品進(jìn)行輝光清洗5 30分鐘；調(diào)整氬氣流量，使真空室氣壓為0.3 0.8Pa，同時(shí)開啟鈦銅合金靶弧源，弧電流為80 100A，對(duì)樣工件繼續(xù)進(jìn)行Ti+及Cu+轟擊I 5分鐘；調(diào)脈沖負(fù)偏壓至-300V -600V，沉積TiCu膜即過渡層I飛分鐘；(2)鍍TiCuN層:停氬氣，通氮?dú)?，氮?dú)饬髁靠刂圃?0 200sccm，設(shè)定氣壓為
0.1 IPa范圍；對(duì)基體施加脈沖負(fù)偏壓-300V -900V ;調(diào)制靶電流為70 80A，沉積時(shí)間為30 120分鐘；(3)沉積結(jié)束后，迅速?；　⑼；w脈沖負(fù)偏壓、停止通入氣體，繼續(xù)抽真空，工件隨爐冷卻至50°C以下，全部的鍍層過程結(jié)束。在所使用的鈦銅合金靶的靶材中，銅的含量為5-15%(重量百分比)。TiCuN納米復(fù)合涂層的厚度為2-5微米，TiCuN納米復(fù)合涂層的納米壓痕硬度值為30GPa以上，TiCuN納米復(fù)合涂層與鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)在0.3以下。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是:1、本實(shí)用新型是在基體表面形成由鈦銅膜形成的過渡層和TiCuN層構(gòu)成的納米復(fù)合涂層，膜基結(jié)合力達(dá)到70N以上。2、本實(shí)用新型選擇與TiN完全不固溶的Cu加入TiN薄膜中，不固溶的Cu偏析在TiN晶界位置，細(xì)化了 TiN的晶粒尺寸，而Cu也以納米晶或非晶結(jié)構(gòu)析出，容易發(fā)生塑性變形的金屬Cu的加入不僅大大降低了涂層內(nèi)應(yīng)力，提高了涂層硬度及斷裂韌性，而且對(duì)TiN的磨損起到潤(rùn)滑和減摩作用，大大降低了涂層的摩擦系數(shù)。


: 圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本實(shí)用新型沉積的TiCuN納米復(fù)合涂層樣品的膜基結(jié)合力測(cè)試曲線圖。
具體實(shí)施方式
:一種TiCuN納米復(fù)合涂層，它包括基體，其特征在于:在基體表面依次是鈦銅(以下稱TiCu)膜形成的過渡層和TiCuN層。所說的基體是指硬質(zhì)合金、高速鋼、耐熱模具鋼的工具或模具等。實(shí)施例1鍍過渡層:基材采用高速鋼(牌號(hào)為W18Cr4V)，試樣尺寸為20mmX IOmmX 10mm，鍍膜面尺寸為20mmX10mm。鍍膜前表面先經(jīng)過研磨、拋光、超聲清洗、干燥后，放入真空室樣品臺(tái)上，待真空室內(nèi)真空度達(dá)到5父10_午&時(shí)，對(duì)真空室加熱至400°(:，向真空室通入氬氣，設(shè)定氣體流量為lOOsccm，氣壓控制在2.0Pa，基體加脈沖負(fù)偏壓-800V，對(duì)樣品進(jìn)行輝光清洗10分鐘；然后，調(diào)整氬氣氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為0.5Pa，同時(shí)開啟鈦銅合金靶弧源，弧流穩(wěn)定在70A，對(duì)樣品進(jìn)行Ti+及Cu+轟擊5分鐘；調(diào)脈沖負(fù)偏壓至-300V，沉積TiCu膜3分鐘；此后，進(jìn)入鍍TiCuN層沉積過程，首先停氬氣通入氮?dú)?，調(diào)制氣壓為0.5Pa ;調(diào)整基體脈沖負(fù)偏壓為-400V，調(diào)制靶電流為80A，沉積時(shí)間為60分鐘；沉積結(jié)束后，迅速停弧、?；w脈沖負(fù)偏壓、停止通入氣體，繼續(xù)抽真空，工件隨爐冷卻至50°C以下，鍍層過程結(jié)束。所得TiCuN納米復(fù)合涂層外觀為金黃色，掃描電鏡測(cè)試涂層的總厚度為3.1微米；納米壓痕測(cè)試涂層硬度為28.6GPa，聲發(fā)射劃痕儀測(cè)試涂層結(jié)合力為72N。實(shí)施例2基材米用硬質(zhì)合金(牌號(hào)為YG6),試樣尺寸為20mmX IOmmX IOmm,鍍膜面尺寸為20mmX 10mm。鍍膜前表面先經(jīng)過研磨、拋光、超聲清洗、干燥后,放入真空室樣品臺(tái)上,待真空室內(nèi)真空度達(dá)到4X 10_3Pa時(shí)，打開氣體質(zhì)量流量控制器，通氬氣到1.0Pa，基體加脈沖負(fù)偏壓至-600V，對(duì)樣品進(jìn)行輝光清洗8分鐘；然后，調(diào)整氬氣氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為
0.6Pa，同時(shí)開啟鈦銅靶弧源，弧流穩(wěn)定在80A，對(duì)樣品進(jìn)行Ti+及Cu+離子轟擊5分鐘；調(diào)脈沖負(fù)偏壓至-400V，沉積TiCu金屬層3分鐘；此后，進(jìn)入鍍TiCuN層沉積過程，首先停氬氣通入氮?dú)?，調(diào)制氣壓為0.4Pa ;調(diào)脈沖負(fù)偏壓-600V，調(diào)制靶電流為80A，沉積時(shí)間為30分鐘；沉積結(jié)束后，迅速停弧、?；w脈沖負(fù)偏壓、停止通入氣體，繼續(xù)抽真空，工件隨爐冷卻至50°C以下。所得TiCuN納米復(fù)合涂層外觀為金黃色，掃描電鏡測(cè)試涂層的總厚度為1.6微米；納米壓痕測(cè)試涂層硬度為31.6GPa，聲發(fā)射劃痕儀測(cè)試涂層結(jié)合力為74N。實(shí)施例3基材采用高速鋼(牌號(hào)為W6Mo5Cr4V2Al)，試樣尺寸為20mmX IOmmX IOmm,鍍膜面尺寸為20mmX10mm。鍍膜前表面先經(jīng)過研磨、拋光、超聲清洗、干燥后，放入真空室樣品臺(tái)上，待真空室內(nèi)真空度達(dá)到3 X 10_3Pa時(shí)，通氬氣到1.0Pa,基體加脈沖負(fù)偏壓至-500V，對(duì)樣品進(jìn)行輝光清洗5分鐘；然后，調(diào)整Ar氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為0.3Pa，同時(shí)開啟鈦銅靶弧源，弧流穩(wěn)定在80A，對(duì)樣品進(jìn)行Ti+及Cu+離子轟擊4分鐘；調(diào)脈沖負(fù)偏壓至-500V，沉積TiCu金屬層3分鐘；此后，進(jìn)入鍍TiCuN層沉積過程，首先停氬氣通入氮?dú)?，調(diào)制氣壓為0.4Pa ;調(diào)整基體脈沖負(fù)偏壓至-700V，調(diào)制靶電流為75A，沉積時(shí)間為90分鐘；沉積結(jié)束后，迅速?；　⑼；w偏壓、停止通入氣體，繼續(xù)抽真空，工件隨爐冷卻至50°C以下。所得TiCuN納米復(fù)合涂層外觀為金黃色，掃描電鏡測(cè)試涂層的總厚度為4.5微米；納米壓痕測(cè)試涂層硬度為30.lGPa，聲發(fā)射劃痕儀測(cè)試涂層結(jié)合力為79N。實(shí)施例4 基材米用硬質(zhì)合金(牌號(hào)為YT5),試樣尺寸為20mmX IOmmX IOmm,鍍膜面尺寸為20mmX 10mm。鍍膜前表面先經(jīng)過研磨、拋光、超聲清洗、干燥后,放入真空室樣品臺(tái)上,待真空室內(nèi)真空度達(dá)到4X 10_3Pa時(shí)，打開氣體質(zhì)量流量控制儀，通氬氣到氣壓1.0Pa，基體加脈沖負(fù)偏壓至-1000V，對(duì)樣品進(jìn)行輝光清洗6分鐘；然后，調(diào)整Ar氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為0.4Pa，同時(shí)開啟鈦銅靶弧源，弧流穩(wěn)定在80A，對(duì)樣品進(jìn)行Ti+及Cu+離子轟擊4分鐘；調(diào)脈沖負(fù)偏壓至-600V，沉積TiCu金屬層3分鐘；此后，進(jìn)入鍍TiCuN層沉積過程，首先停氬氣通入氮?dú)?，調(diào)制氣壓為0.6Pa ;調(diào)整基體脈沖偏壓為-800V，調(diào)制靶電流為80A，沉積時(shí)間為60分鐘；沉積結(jié)束后，迅速?；?、?；w偏壓、停止通入氣體，繼續(xù)抽真空，工件隨爐冷卻至50°C以下。所得TiCuN納米復(fù)合涂層外觀為金黃色，掃描電鏡測(cè)試涂層的總厚度為3.6微米；納米壓痕測(cè)試涂層硬度為32.lGPa，聲發(fā)射劃痕儀測(cè)試涂層結(jié)合力為73N。
權(quán)利要求1.一種TiCuN納米復(fù)合涂層，它包括基體，其特征在于:在基體表面依次是TiCu膜形成的過渡層和TiCuN層。
專利摘要本實(shí)用新型屬于金屬材料表面沉積超硬納米復(fù)合涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種TiCuN納米復(fù)合涂層，所要解決的技術(shù)問題是nc-TiN/a-Si3N4納米復(fù)合涂層的高摩擦系數(shù)導(dǎo)致切削過程中產(chǎn)生大量熱量，涂層刀具前刀面依然產(chǎn)生積屑瘤。本實(shí)用新型的要點(diǎn)是在基體表面依次是由TiCu膜形成的過渡層和TiCuN層。其制備方法采用電弧離子鍍技術(shù)完成，該方法制備的納米復(fù)合涂層除具有較高的硬度外，還具有涂層韌性高、膜基結(jié)合強(qiáng)、摩擦系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C23C14/38GK203144507SQ20132013989
公開日2013年8月21日 申請(qǐng)日期2013年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月26日
發(fā)明者趙彥輝, 于寶海, 于傳躍, 趙鵬 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)金鋒特種刀具有限公司