一種非晶結(jié)構(gòu)的CrAl(C,N)硬質(zhì)涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及切削刀具表面涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非晶結(jié)構(gòu)的CrAl (C，N)硬質(zhì)涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面涂層可以大幅提高切削刀具的表面硬度、耐磨性和耐熱性等，目前，涂層技術(shù)已成為現(xiàn)代切削刀具的三大關(guān)鍵技術(shù)之一。隨著切削加工技術(shù)向高速、高精、高效、智能和環(huán)保方向發(fā)展，以及高強度、高韌性等難加工材料層出不窮，涂層材料和涂層技術(shù)必須不斷改進和發(fā)展，以滿足刀具涂層系統(tǒng)綜合切削性能提升的需要。
[0003]目前應(yīng)用的涂層材料主要是TiN系和CrN系兩大系列。CrAlN涂層與TiAlN涂層硬度相當(dāng)，在高溫條件下，Cr能夠與氧結(jié)合形成Cr2O3保護膜，因此CrAlN涂層的高溫抗氧化性高于TiAlN涂層。德國亞深工業(yè)大學(xué)Lugscheider等人報道了一種CrAlN+C涂層，采用電弧離子鍍與磁控濺射離子鍍組合涂層技術(shù)制備，CrAlN+C涂層為CrN/AlN(lll)和(200)取向的晶體結(jié)構(gòu)，涂層截面呈明顯的柱狀結(jié)構(gòu)。大量研宄表明，涂層的耐磨性并非只與硬度相關(guān)，涂層的強韌性也是影響涂層耐磨性的重要因素，用硬模比(硬度與彈性模量的比值)衡量涂層的耐磨性更加可靠。雖然柱狀晶結(jié)構(gòu)的涂層硬度和彈性模量均較高，但硬模比較低，涂層的耐磨性較低。因此，微晶或非晶涂層是今后涂層材料的發(fā)展方向之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種非晶結(jié)構(gòu)的CrAl (C，N)硬質(zhì)涂層及其制備方法，涂層的硬模比高，耐磨性好，涂層制備方法穩(wěn)定性好、可操作性強、易于實施。
[0005]本發(fā)明提供的一種非晶結(jié)構(gòu)CrAl (C，N)硬質(zhì)涂層，涂層中Cr、Al、C和N各元素的原子百分含量可變化，并且C元素的原子百分含量為5?30at.%，涂層的厚度為500?3000nm。優(yōu)選的，所述CrAl (C，N)硬質(zhì)涂層涂層中涂層中Cr元素含量為5?25at.%, Al元素含量為15?25at.%，N元素含量為30?60at.%。
[0006]本發(fā)明提供上述非晶結(jié)構(gòu)的CrAl (C，N)硬質(zhì)涂層的制備方法，包括以下步驟:
[0007]A、將基體清洗干燥后放入真空鍍膜室；
[0008]B、將步驟A中所述基體在氬氣保護氣氛下進行加熱；
[0009]C、將步驟B中加熱后的所述基體經(jīng)氬離子進行濺射刻蝕；
[0010]D、使用CrAl合金靶和石墨靶作為沉積靶材，隊作為反應(yīng)氣體，在氬氣與氮氣混合氣氛下氣氛下采用非平衡磁控濺射技術(shù)將所述CrAl (C，N)涂層沉積于基體表面。
[0011 ] 優(yōu)選的，步驟A中，所述基體依次在除油劑、清洗劑和酒精溶液中用超聲波清洗。
[0012]優(yōu)選的，步驟B中，所述的加熱是在真空室壓強為2.0?4.0X KT1Pa的氬氣保護氣氛下進行，加熱時間40?lOOmin。
[0013]優(yōu)選的，步驟C中，所述濺射刻蝕是利用Ar+對基體的碰撞和轟擊效應(yīng)，基體偏壓為-100?-200V的直流偏壓和疊加-200?-500V的脈沖偏壓，刻蝕時間為10?30min。
[0014]優(yōu)選的，步驟D中，所述CrAl (C，N)涂層的沉積方法為非平衡磁控濺射，沉積靶材為CrxAlh合金靶(X為0.3?0.7)和石墨靶，更優(yōu)選的，Cr xAlh合金靶和石墨靶分別為兩個。所述沉積時使用隊作為反應(yīng)氣體，設(shè)置氮氣與氬氣流量之比為0.25?0.5，真空室總壓強為2.5?4.0X KT1Pa,基體直流偏壓為-30V?-60V。通過調(diào)節(jié)濺射靶電源的電流大小，可控制和調(diào)節(jié)涂層中各元素的含量。通過調(diào)整沉積時間可控制圖層厚度，優(yōu)選的，沉積時間為90?240min。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有的優(yōu)點:
[0016](I)本發(fā)明提供的一種非晶結(jié)構(gòu)的CrAl (C，N)硬質(zhì)涂層，具有較高的硬模比，同時硬度在25GPa以上，保證了涂層具有較高的耐磨性能。
[0017](2)本發(fā)明提供的一種非晶結(jié)構(gòu)的CrAl (C，N)硬質(zhì)涂層的制備方法，通過在氬氣和氮氣的混合氣氛下同時派射CrAl合金革E和石墨革E制備CrAl (C，N)涂層，一方面，避免了電弧離子鍍與磁控濺射離子鍍離子能量相差大造成的C原子很難引入，都使用濺射的方法有利于C原子植入CrAlN涂層中形成CrAl (C，N)涂層；另一方面，使用石墨靶作為固體碳源，可以減輕氣體碳源對真空室的污染，通過調(diào)節(jié)石墨靶濺射電源的電流同樣可以實現(xiàn)不同C含量的控制與調(diào)節(jié)。
【附圖說明】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明:
[0019]圖1是本發(fā)明實施例1非晶結(jié)構(gòu)的CrAl (C，N)涂層的截面掃描電鏡圖片；
[0020]圖2是本發(fā)明實施例1非晶結(jié)構(gòu)的CrAl (C，N)涂層的X射線衍射圖譜；
[0021]圖3是對比例I制備的CrAlN涂層的截面掃描電鏡圖片。
【具體實施方式】
[0022]下面將結(jié)合本發(fā)明中的實施例和附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0023]實施例1:
[0024]將硬質(zhì)合金銑刀片依次在工業(yè)除油劑、清洗劑和酒精溶液中超聲波清洗，然后干燥；將干燥后的硬質(zhì)合金車刀片置于鍍膜室夾具上，抽真空至1.0X10_2Pa ;向鍍膜室內(nèi)通入Ar，在壓強為4.0XlO-1Pa下加熱10min ;再在2.5 X 10?的氬氣氣氛下，基體直流偏壓-200V，脈沖偏壓-500V，刻蝕1min ;最后，同時通入氬氣和氮氣，氮氣與氬氣流量之比為0.5，總壓強保持為4.0 X 10?,打開Cr3tlAl7tl合金靶濺射電源和石墨靶濺射電源，在基體直流偏壓為-60V下沉積CrAl (C，N)涂層90min ;鍍膜完畢后冷卻60min出爐。
[0025]經(jīng)檢測，CrAl (C，N)涂層厚度為700nm，涂層中C元素的原子百分含量為12.26at.% ;N、Al、Cr 元素的原子百分含量分別為 59.08at.%,22.1Oat.%、7.62at.% ;涂層的截面形貌呈無明顯取向的非柱狀結(jié)構(gòu)，X衍射圖譜顯示，涂層的衍射峰極其微弱，表明涂層主要為非晶結(jié)構(gòu)；涂層的硬度26.lGPa，彈性模量為505.4GPa，硬模比為0.052。
[0026]對比例1:
[0027]將硬質(zhì)合金銑刀片依次在工業(yè)除油劑、清洗劑和酒精溶液中超聲波清洗，然后干燥；將干燥后的硬質(zhì)合金車刀片置于鍍膜室夾具上，抽真空至1.0X10_2Pa ;向鍍膜室內(nèi)通入Ar，在壓強為4.0X KT1Pa下加熱90min ;再在2.5 X KT1Pa的氬氣氣氛下，基體直流偏壓-200V，脈沖偏壓-500V，刻蝕1min ;最后，同時通入氬氣和氮氣，氮氣與氬氣流量之比為0.45，總壓強保持為4.0 X KT1Pa,打開Cr3tlAl7tl合金靶濺射電源，在基體直流偏壓為-60V下沉積CrAlN涂層90min ;鍍膜完畢后冷卻60min出爐。
[0028]經(jīng)檢測，CrAlN涂層厚度為700nm ;N、Al、Cr元素的原子百分含量分別為68.55at.%、23.21at.%、8.24at.% ;涂層的截面形貌呈垂直于界面的柱狀晶結(jié)構(gòu)；涂層的硬度24.06GPa，彈性模量為517.6GPa，硬模比為0.046。
[0029]實施例2:
[0030]將硬質(zhì)合金鉆頭依次在工業(yè)除油劑、清洗劑和酒精溶液中超聲波清洗，然后干燥；將干燥后的硬質(zhì)合金車刀片置于鍍膜室夾具上，抽真空至1.0X10_2Pa ;向鍍膜室內(nèi)通入Ar，在壓強為3.0X KT1Pa下加熱60min ;再在1.3 X KT1Pa的氬氣氣氛下，基體直流偏壓-150V，脈沖偏壓-350V，刻蝕20min ;最后，同時通入氬氣和氮氣，氮氣與氬氣流量之比為0.33，總壓強保持為2.5 X KT1Pa,打開Cr5tlAl5tl合金靶濺射電源和石墨靶濺射電源，在基體直流偏壓為-45V下沉積CrAl (C，N)涂層180min ;鍍膜完畢后冷卻60min出爐。
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