一種高硬度、高彈性模量TiSiN保護(hù)涂層的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種高硬度、高彈性模量TiSiN保護(hù)涂層的制備方法，包括如下制備步驟：（1）基體清洗，然后進(jìn)行離子清洗；（2）TiSiN層制備：將步驟（1）處理后的基體送到濺射室進(jìn)行沉積，Ti-Si復(fù)合靶材由射頻陰極控制，沉積1-2μm的TiSiN涂層。本發(fā)明所得TiSiN涂層不但具有高硬度34.4GPa，而且具有優(yōu)良的抗高溫氧化性和耐腐蝕能力，工藝簡(jiǎn)單、沉積速度快、成本低、結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，并且具有生產(chǎn)效率高、能耗低，對(duì)設(shè)備要求較低等優(yōu)點(diǎn)，可作為高速、干式切削的刀具涂層和其他領(lǐng)域的保護(hù)涂層。
【專利說(shuō)明】一種高硬度、高彈性模量TiSiN保護(hù)涂層的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于表面改性工程技術(shù)，具體是一種高硬度TiSiN保護(hù)涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著切削技術(shù)不斷向高速度、高精度發(fā)展和干切削技術(shù)的推廣，對(duì)刀具性能提出了越來(lái)越高的要求:要求其具備高硬度、高彈性模量、低摩擦系數(shù)等力學(xué)性能和抗高溫氧化性能。目前常用的TiN (氮化鈦)涂層的硬度約為23GPa，其抗氧化溫度約為500°C ；TiCN (碳氮化鈦)涂層的硬度大約40GPa，但其抗高溫氧化溫度僅400°C ；目前應(yīng)用前景最好的TiAlN(氮化鋁鈦)涂層的硬度為35GPa，其抗氧化溫度約為800°C。
[0003]納米結(jié)構(gòu)涂層技術(shù)是近年來(lái)迅速發(fā)展的涂層新技術(shù)，其涂層材料的晶粒度一般都在IOOnm以下，具有良好的切削性能。在TiN中加入Si元素形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的TiSiN(氮化鈦硅)涂層，其抗高溫氧化性較單涂層TiN明顯提高。TiSiN是國(guó)際上最為先進(jìn)的刀具涂層材料之一，自出現(xiàn)就成了國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，世界上許多企業(yè)也積極進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用，其最主要的特點(diǎn)就是高硬度和良好的耐溫性能，現(xiàn)已有適用于硬切削的TiSiN涂層具有34GPa的硬度和1000°C的開(kāi)始氧化溫度。
[0004]目前，通過(guò)查詢文獻(xiàn)可知TiSiN涂層已經(jīng)通過(guò)不同的物理氣相沉積方法成功制得，其中一種方法雖然可以制得硬度較高的涂層，但彈性模量較低，而且能耗大，如陰極弧蒸鍍可獲得硬度為37GPa的涂層，閉合非平衡磁控濺射(P-CFUBMS)可獲得硬度為35GPa、彈性模量為370GPa的涂層；采用另一種方法則不但硬度、彈性模量較低，而且能耗較大，如RF磁控濺射獲得硬度為30GPa、彈性模量為303GPa的涂層，脈沖偏壓電弧離子鍍獲得硬度為21.5GPa的涂層等。`
[0005]通過(guò)查新檢索到如下制備CrAlN涂層有關(guān)的專利:
[0006]申請(qǐng)?zhí)枮?2104556.5的專利涉及一種硬質(zhì)涂層及其涂覆的工件和用其涂覆工件的方法。該硬質(zhì)涂層主要含(Al，Cr)203混晶，鉻含量在5-50%at。用CVD或PVD法在低于9000C，更好是低于500°C的溫度下沉積，可以獲得良好的抗氧化性能和加工性能。
[0007]申請(qǐng)?zhí)枮?00810109556.9的專利涉及一種用于切斷、切槽和車螺紋的硬質(zhì)合金刀片。該專利所述涂層包括不同Al/Ti比的的兩個(gè)(TiAl)N層:內(nèi)層AlyTihN和外層AlwTi1^wNjy=0.4-0.67, w=0.15-0.35。外層為Ti/Al比率不同的交替結(jié)構(gòu)，具有高的抗塑性形變和耐磨性，可用于潤(rùn)滑條件下對(duì)鋼和不銹鋼進(jìn)行切斷、切槽和車螺紋。
[0008]申請(qǐng)?zhí)枮?00610045989.3的專利公開(kāi)了一種在寬溫度范圍內(nèi)抗高溫腐蝕的CrN/CrAlN防護(hù)涂層及其制備方法，采用反應(yīng)共濺方式獲得內(nèi)層為CrN層，外層為Al含量呈梯度分布的CrAlN層，表層達(dá)到Crai8Ala82N,具有很好的抗熱腐蝕性能，可提高高溫合金在較寬的溫度范圍內(nèi)抗氧化和熱腐蝕性能。
[0009]申請(qǐng)?zhí)枮?00680010263.4的專利涉及一種用于工具的多層硬質(zhì)材料涂層。其具有多層構(gòu)造，至少包括一個(gè)(AlyCivy) X層，X為N、C、B、O等元素之一，和(TizSi^)X15另外硬質(zhì)材料涂層包括至少一個(gè)疊層，所述疊層包括(AlCrTiSi) X混合層，接著是另外的(TizSi1JX層，接著是另外的(AlCrTiSi)X混合層，接著是另外的(AlyCivy)X層，包括4、8、12個(gè)疊層，具有高硬度、耐磨性和耐高溫氧化性，可用于機(jī)械制造和模具制造的構(gòu)件，工具，切削工具，沖裁模具或成型模具。
[0010]現(xiàn)有技術(shù)中，并沒(méi)有公開(kāi)高硬度高彈性模量TiSiN保護(hù)涂層的制備方法，并且現(xiàn)有技術(shù)的制備方法在制備過(guò)程中能耗較大，效率較低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高硬度、高彈性模量和優(yōu)異抗高溫氧化的TiSiN保護(hù)涂層及其制備方法，并且具有生產(chǎn)效率高、能耗低，工藝簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求較低等優(yōu)點(diǎn)；可作為高速干式切削的刀具涂層和其他領(lǐng)域的保護(hù)涂層。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0013]一種高硬度、高彈性模量TiSiN保護(hù)涂層的制備方法，包括如下制備步驟:
[0014](I)基體清洗
[0015]將經(jīng)打磨鏡面拋光處理后的基體在無(wú)水乙醇和丙酮中利用超聲波清洗5~IOmin ；
[0016]然后進(jìn)行離子清洗:將樣品裝好后裝進(jìn)進(jìn)樣室，抽真空后開(kāi)Ar氣，維持真空度在
2-4Pa，用中頻對(duì)所述基體進(jìn)行30min的離子轟擊，功率為80-100W ;(2) TiSiN層制備
[0017]將步驟(1)處理后的基體送到濺射室進(jìn)行沉積，T1-Si復(fù)合靶材由射頻陰極控制，真空室的本底真空度優(yōu)于5X 10_3Pa，濺射氣氛采用Ar和N2的混合氣體，濺射功率為280-400W，濺射時(shí)間為90-140min，靶基距:5cm，沉積1-2 μ m的TiSiN涂層。
[0018]進(jìn)一步地，所述涂層是納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，涂層呈現(xiàn)NaCl結(jié)構(gòu)的TiN相；所述基體為金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷或塑料。
[0019]進(jìn)一步地，Ar/N2流量比范圍為3-12，優(yōu)選為5-8。
[0020]進(jìn)一步地，所述步驟(1)中超聲波的頻率為15~30kHz，中頻為13.56Hz，所述步驟(2)中的氬氣流量為10-50sccm，氮?dú)饬髁繛?-10sccm。
[0021]進(jìn)一步地，基體的溫度范圍25_400°C，優(yōu)選為200-300°C。
[0022]本發(fā)明的有益效果:
[0023]采用這種工藝，本發(fā)明獲得的TiSiN保護(hù)涂層由TiN相和Si3N4界面相兩相組成，并且在涂層內(nèi)部形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，即Si3N4界面相包裹晶粒尺寸為5 — IOnm的TiN納米等軸晶粒，如圖1所示，圖中襯度較深的TiN納米等軸晶粒，分布在界面處襯度較淺的為Si3N4界面相。在該納米復(fù)合結(jié)構(gòu)下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)難以開(kāi)展，因此，TiSiN保護(hù)涂層可獲得較高的硬度。本發(fā)明所得TiSiN涂層不但具有高硬度(大于等于34.4GPa)，而且具有優(yōu)良的抗高溫氧化性和耐腐蝕能力，工藝簡(jiǎn)單、沉積速度快、成本低、結(jié)合強(qiáng)度高等特點(diǎn)，并且具有生產(chǎn)效率高、能耗低，對(duì)設(shè)備要求較低等優(yōu)點(diǎn)，可作為高速、干式切削的刀具涂層和其他領(lǐng)域的保護(hù)涂層。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為TiSiN涂層納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的微觀形貌(HRTEM照片)?！揪唧w實(shí)施方式】
[0025]下面通過(guò)具體的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明，但并不用于限制本
【發(fā)明內(nèi)容】
。
[0026]本發(fā)明的制備方法中所用到的儀器分別為:
[0027]JGP-450型多靶磁控濺射儀；
[0028]M308457超聲波清洗機(jī)；
[0029]本發(fā)明所采用的測(cè)試方法:
[0030]EDAX能譜儀(EDS )分析成分；
[0031 ] D/MAX2550VB/PC型X射線衍射儀(XRD)測(cè)定物相組成；
[0032]NANO Indenter G200型納米壓痕儀測(cè)量硬度和彈性模量。
[0033]本發(fā)明的制備方法包括如下步驟:
[0034]( I)基體清洗
[0035]將經(jīng)打磨鏡面拋光處理后的基體在無(wú)水乙醇和丙酮中利用超聲波清洗5~IOmin ;然后進(jìn)行離子清洗:將樣品裝好后裝進(jìn)進(jìn)樣室，抽真空后開(kāi)Ar氣，維持真空度在2-4Pa，用中頻對(duì)所述基體進(jìn)行30min的離子轟擊，功率為80-100W ；
[0036](2) TiSiN 層制備
`[0037]將步驟(1)處理后的基體送到濺射室進(jìn)行沉積，T1-Si復(fù)合靶材由射頻陰極控制，真空室的本底真空度優(yōu)于5X 10_3Pa，濺射氣氛采用Ar和N2的混合氣體，濺射功率為280-400W，濺射時(shí)間為90-140min，靶基距:5cm，沉積1-2 μ m的TiSiN涂層。
[0038]本專利中涂層在JGP-450型多靶磁控濺射儀上采用反應(yīng)濺射法制備。采用高速鋼、硬質(zhì)合金等作為基體，經(jīng)丙酮和無(wú)水乙醇超聲波清洗后裝入真空室內(nèi)進(jìn)行30min的離子清洗，然后采用直流或射頻反應(yīng)濺射方法沉積。
[0039]經(jīng)X-射線物相分析，涂層為面心立方結(jié)構(gòu)，擇優(yōu)取向?yàn)?200)和(111)，呈柱狀晶生長(zhǎng)。
[0040]以下各實(shí)施例中還是按照上述步驟進(jìn)行制備，只是具體參數(shù)稍作變化，具體如下:
[0041]實(shí)施例1
[0042]本發(fā)明TiSiN保護(hù)涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為:靶基距:5cm ；Ar/N2=7.6 ;總氣壓:0.4Pa ;溫度:300°C ;射頻電源功率:350W。經(jīng)測(cè)試，獲得涂層硬度34.8GPa。涂層內(nèi)部可形成由Si3N4界面相包裹TiN納米等軸晶粒的納米復(fù)合結(jié)構(gòu),如圖1所示。
[0043]實(shí)施例2
[0044]本發(fā)明TiSiN保護(hù)涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為:靶基距:5cm ；Ar/N2=7.6 ;總氣壓:0.4Pa ;溫度:100°C ;射頻電源功率:350W。經(jīng)測(cè)試，獲得涂層硬度32.98GPa。
[0045]實(shí)施例3
[0046]本發(fā)明TiSiN保護(hù)涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為:靶基距:5cm ；Ar/N2=7.6 ;總氣壓:0.6Pa ;溫度:300°C，射頻電源功率:350W。經(jīng)測(cè)試，獲得涂層硬度30.62GPa。
[0047]實(shí)施例4
[0048]本發(fā)明TiSiN保護(hù)涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為:靶基距:5cm ；Ar/N2=7.6 ;總氣壓:0.8Pa ;溫度:300°C，射頻電源功率:350W。經(jīng)測(cè)試，獲得涂層硬度29.8GPa。[0049]實(shí)施例5
[0050]本發(fā)明TiSiN保護(hù)涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為:靶基距:5cm ；Ar/N2=I ;總氣壓:0.4Pa ;溫度:200°C，射頻電源功率:350W。經(jīng)測(cè)試，獲得涂層硬度33.26GPa。
[0051]實(shí)施例6
[0052]本發(fā)明TiSiN保護(hù)涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為:靶基距:5cm ；Ar/N2=7.6 ;總氣壓:0.4Pa ;溫度:400°C，射頻電源功率:350W。經(jīng)測(cè)試，獲得涂層硬度34.12GPa。
[0053]實(shí)施例7
[0054]本發(fā)明TiSiN保護(hù)涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為:靶基距:5cm ；Ar/N2=7.6 ;總氣壓:0.4Pa ;溫度:300°C，射頻電源功率:300W。經(jīng)測(cè)試，獲得涂層硬度31.9GPa。
[0055]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。`
【權(quán)利要求】
1.一種高硬度、高彈性模量TiSiN保護(hù)涂層的制備方法，其特征在于包括如下制備步驟: (I)基體清洗 將經(jīng)打磨鏡面拋光處理后的基體在無(wú)水乙醇和丙酮中利用超聲波清洗5~IOmin ； 然后進(jìn)行離子清洗:將樣品裝好后裝進(jìn)進(jìn)樣室，抽真空后開(kāi)Ar氣，維持真空度在2-4Pa，用中頻對(duì)所述基體進(jìn)行30min的離子轟擊，功率為80-100W ;(2) TiSiN層制備 將步驟(1)處理后的基體送到濺射室進(jìn)行沉積，T1-Si復(fù)合靶材由射頻陰極控制，真空室的本底真空度優(yōu)于5 X 10?,濺射氣氛采用Ar和N2的混合氣體，濺射功率為280-400W，濺射時(shí)間為90-140min，靶基距:5cm，沉積1_2 μ m的TiSiN涂層。
2.如權(quán)利要求 1所述的具有高硬度、高彈性模量TiSiN保護(hù)涂層的制備方法，其特征在于所述涂層是納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，涂層呈現(xiàn)NaCl結(jié)構(gòu)的TiN相；所述基體為金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷或塑料。
3.如權(quán)利要求1所述的具有高硬度、高彈性模量TiSiN保護(hù)涂層的制備方法，其特征在于Ar/N2流量比范圍為3-12。
4.如權(quán)利要求1所述的具有高硬度、高彈性模量TiSiN保護(hù)涂層的制備方法，其特征在于:所述步驟(1)中超聲波的頻率為15~30kHz，中頻為13.56Hz，所述步驟(2)中的氬氣流量為10_50sccm,氮?dú)饬髁繛?-10sccm。
5.如權(quán)利要求1所述的具有高硬度、高彈性模量TiSiN保護(hù)涂層的制備方法，其特征在于基體的溫度范圍25-400°C。
【文檔編號(hào)】C23C14/35GK103510061SQ201310476304
【公開(kāi)日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】吳舢紅, 李偉, 薛增輝 申請(qǐng)人:薩姆森涂層納米科技（上海）有限公司