专利名称：具有硬质涂层的被覆件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有硬质涂层的被覆件及该被覆件的制备方法。
背景技术：
高切削速度、高进给速度、高可靠性、高精度和长寿命是目前刀具的发展方向，而不用或少用冷却液的干式切削技术，由于效率高，对环境污染小，正逐步成为切削技术发展的主流。但是这些技术对刀具涂层的性能提出了更高的要求，尤其是长时间的干式切削将导致刀具与被切削件接触温度迅速升至600-800°C以上，这些苛刻的条件要求涂层同时具有高硬度、低摩擦系数及优异的高温抗氧化性能。目前商业化较为成功的刀具涂层是TiAlN涂层，该涂层具有较好的高温抗氧化性能，能较大程度提高刀具表面硬度和耐磨性能。但是，普通的TiAlN涂层的HV硬度难以超过30GPa，抗氧化温度为800°C以下，已经不能很好的满足某些较高硬度材料的切削加工。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有具有硬质涂层的被覆件，该被覆件具有较高硬度、耐磨损及优良的高温抗氧化性能。另外，还有必要提供一种上述被覆件的制备方法。一种具有硬质涂层的被覆件，包括硬质基体及形成于该基体上的结合层，该被覆件还包括形成于该结合层上的纳米复合层，该纳米复合层包括多层TiN层和多层TiON层，所述TiN层和TiON层交替堆叠。一种具有硬质涂层的被覆件的制备方法，包括以下步骤提供硬质基体；提供一磁控溅射设备，将该硬质基体放入该磁控溅射设备的转架上，在该磁控溅射设备的真空室内设置多对钛靶；开启钛靶，在硬质基体上溅射一由钛金属组成的结合层；开启钛靶，向真空室持续通入氮气，同时间歇性地通入氧气，在结合层上交替溅射多层TiN层和多层TiON层，以形成纳米复合层，该TiN层和该TiON层交替堆叠。本发明的具有硬质涂层的被覆件包括由TiN层和TiON层交替堆叠而形成的纳米复合层，由于TiN和TiON的晶格参数等不相同，因此在TiN层和TiON层界面上，存在着原子的错配，而原子错配是位错滑移的巨大障碍，会导致纳米复合层硬化，即产生超晶格硬化效应，使得纳米复合层的硬度大大增加，从而大大提升涂层的整体硬度。此外，TiON层中存在Ti-O化合物，Ti-O化合物较大地提高纳米复合层的高温抗氧化性。
图1为本发明较佳实施例的被覆件的剖视示意图。图2为本发明较佳实施例的被覆件的制备方法中所用磁控溅射设备示意图。
图3为本发明一实施例的被覆件的制备方法中溅镀纳米复合层时通入氮气随时间的变化示意图。主要元件符号说明
被覆件10
硬质基体20
5口口 te30
纳米复合层40
TiN层42
TiON 层44
磁控溅射设备1
真空室2
真空泵3
转架4
钛靶5
气源通道具体实施例方式请参阅图1，本发明具有硬质涂层的被覆件10包括硬质基体20、形成于该硬质基体20的一结合层30及形成于该结合层30上的纳米复合层40。该纳米复合层40包括若干TiN层42和若干TiON层44，所述TiN层42和TiON层44交替堆叠。该硬质基体20的材质可以为高速钢、硬质合金、陶瓷、不锈钢、镁合金及铝合金寸。该结合层30为一钛金属层。该结合层30的厚度可为20 50nm，其用于提高纳米复合层40与硬质基体20之间的结合力。结合层30的厚度过小(小于20nm)时，结合力太小；厚度过大(大于50nm)时，因钛金属相对于TiN层42和若干TiON层44较软，不利于提高涂层的整体硬度。所述TiN层42中钛的质量百分含量大约为76. 18% 77. 42%，氮的质量百分含量为22. 58% 23. 82%。该TiN层42中除了 Ti-N化合物相，还存在未与氮反应的金属钛相。所述TiON层44中钛的质量百分含量为75. 23% 77. 10%，氮的质量百分含量为15. 57 % 16. 27 %，氧的质量百分含量为6. 83 % 8. 59 %。该TiON层44中除了 Ti-O-N化合物相，还存在未与氮或氧反应的金属钛相。由于TiN层42中Ti-N化合物相及TiON层44中Ti_0_N化合物相的含量越高，纳米复合层40的硬度就越大；而Ti-N化合物相及Ti-O-N化合物相含量越高，氮的含量就越高，所以当TiN层42中的氮的含量接近23. 82 %，TiON层44中N的含量接近16. 27 %时，纳米复合层40的硬度最大，为52Gpa ；但TiN层42和TiON层44中的氮含量接近各自的下限时，对应纳米复合层40的硬度最低，为48Gpa。每一 TiN层42与每一 TiON层44的厚度大约均为5 15nm，较佳为8 10nm。TiN层42与TiON层44的厚度分别在5 15nm范围内时，交替沉积的TiN层42与TiON层44之间会存在明显的超晶格效应，使纳米复合层40的硬度得到较大的提高，远远高于单纯TiN层或TiON层的硬度；超出所述范围时，TiN层42与TiON层44之间的超晶格效应会明显减弱甚至消失。该纳米复合层40的总厚度大约为2 5微米，在此厚度范围内，纳米复合层40具有较好的综合性能。该结合层30及该纳米复合层40可通过磁控溅射(如射频磁控溅射)方法形成。该被覆件10可以为各类切削刀具、精密量具、模具、电子产品外壳及各种建筑装饰件等。具有上述被覆件40的制备方法，主要包括如下步骤对硬质基体20进行清洗。该步骤可将硬质基体20放入盛装有乙醇及/或丙酮溶液的超声波清洗器中进行震动清洗，以除去承镀基体表面的杂质和油污等，清洗完毕后烘干备用。请结合参阅图2，提供一磁控溅射设备1，磁控溅射设备1可为一射频磁控溅射设备，其包括一真空室2、用以对真空室2抽真空的真空泵3以及与真空室2相通的气源通道7。该真空室2内设有转架4及多对相对设置的钛靶5。转架4带动硬质基体20做圆周运行，并且从每对相对设置的钛靶5之间穿过。硬质基体20在随转架4运行的同时也进行自转。镀膜时，溅射气体与反应气体经由气源通道7进入真空室2。在硬质基体20上溅射该结合层30。将经上述清洗的硬质基体20放置于磁控溅射设备1的转架4上，对真空室2抽真空至1.0X 10_3 8. 0 X IO^Pa后通入溅射气体氩气，氩气流量为300 500sccm(标准状态毫升/分钟)，硬质基体20施加偏压至-100 -300V，开启钛靶5，钛靶5的电流为40 50A，调节真空室2内温度为250 300，设置所述转架4的转速为1 5rpm(revolution per minute，转/分钟)对硬质基体20溅射5 10分钟，以于硬质基体20表面形成所述由钛金属形成的结合层30。在结合层30上交替溅射多层TiN层42和多层TiON层44，以形成该纳米复合层40。该步骤中，硬质基体20施加偏压为-100 -300V，该偏压可以保持为沉积结合层30时的偏压不变，也可以调节使小于沉积结合层30时的偏压，以提高沉积速度。保持转架转速不变，调节钛靶5的电流在40 70A之间，调节氩气流量在200 300sCCm之间。持续向真空室2通入氮气，氮气的流量在20 lOOsccm之间，同时间歇性地通入氧气，每隔1. 5 4. 5分钟通入氧气，每次通入氧气持续的时间为1. 5 4. 5分钟，且每次通入氧气的流量为20 lOOsccm，使得当只通入氮气时，则沉积TiN层42，当有氧气通入时，则沉积TiON层44，从而在硬质基体20上交替沉积TiAlN层42和SiN层44。该步骤沉积时间约为30 120分钟。图3是以间隔时间为2分钟为例，通入氧气的流量随时间变化示意图。镀膜结束后，关闭靶材电源、偏压、气流等，待真空室2温度降至接近室温时取出镀覆有结合层30及纳米复合层40的硬质基体20。本发明的具有硬质涂层的被覆件10包括由TiN层42和TiON层44交替堆叠而形成的纳米复合层40，每一 TiN层42和TiON层44的厚度都是纳米级别(即几个至几十个原子厚度)。由于TiN和TiON的晶格参数等不相同，因此在TiN层42和TiON层44界面上，存在着原子的错配，而原子错配是位错滑移的巨大障碍，会导致纳米复合层40硬化，即产生超晶格硬化效应；此外，TiON层44实际上是在Ti-N化合物中加入氧元素，TiN为面心立方结构，加入氧后则氧原子取代一部分氮原子的位置而形成的Ti-O-N相，因为0与N的原子大小不一样，所以取代以后会在0原子周围形成晶格畸变，导致纳米复合层40的性能如硬度、高温抗氧化性等提高。可以理解，上述被覆件10的制备方法还可包括溅射该结合层30前，在所述磁控溅射设备内对钛靶5进行溅射清洗，以去除靶材表面可能形成的氧化物等杂质。实施例1选用316不锈钢作为硬质基体，对基体进行清洗，然后在基体上溅镀结合层及纳米复合涂层，各步骤的具体操作如上所述。溅镀结合层的条件为真空室抽真空至3. OX 10_3Pa，真空室温度为250°C，氩气流量为300SCCm，基体偏压为-150V，钛靶电流为45A，溅射时间为5分钟。溅镀纳米复合层的条件为真空室温度为250，基体偏压为-150V，钛靶电流为40A，氩气流量为200SCCm，持续通入氮气的流量为3kccm，每隔1. 5分钟通入氧气，每次通入氧气持续的时间为1. 5分钟，每次通入氧气的流量为30sCCm，转架转速为lrpm，溅射时间为40分钟。实施例2选用高速钢刀具作为硬质基体，对基体进行清洗，然后在基体上溅镀结合层及纳米复合层，各步骤的具体操作如上所述。溅镀结合层的条件为真空室抽真空至3. OX 10_3Pa，真空室温度为300°C，氩气流量为400SCCm，基体偏压为-200V，钛靶电流为50A，溅射时间为5分钟。溅镀纳米复合层的条件为真空室温度为300，基体偏压为-150V，钛靶电流为55A，氩气流量为230SCCm，持续通入氮气的流量为60sCCm，每隔2分钟通入氧气，每次通入氧气持续的时间为2分钟，每次通入氧气的流量为60SCCm，转架转速为2rpm，溅射时间为70分钟。实施例3选用钨钢刀具作为硬质基体，对基体进行清洗，然后在基体上溅镀结合层及纳米复合层，各步骤的具体操作如上所述。溅镀结合层的条件为真空室抽真空至3. OX 10_3Pa，真空室温度为280°C，氩气流量为400SCCm，基体偏压为-200V，钛靶电流为55A，溅射时间为5分钟。溅镀纳米复合层的条件为真空室温度为观0，基体偏压为-150V，钛靶电流为60A，氩气流量为250SCCm，持续通入氮气的流量为90sCCm，每隔4. 5分钟通入氧气，每次通入氧气持续的时间为4. 5分钟，每次通入氧气的流量为90sCCm，转架转速为3rpm，溅射时间为100分钟。对实施例1-3所制备的被覆件进行耐磨性测试、纳米硬度测试及高温抗氧化测试，各测试条件及结果如下(1)耐磨性测试测试仪器为线性耐磨耗测试仪，测试条件为载荷为1kg，行程长度为1. 5英尺，磨耗速率为25次/分钟。试结果显示，实施例1-3所制备的被覆件经磨耗250次均为见明显脱落。(2)纳米硬度测试测试仪器为纳米硬度计，测试条件为温度20 25°C，空气湿度为30% 50%，加载5g大小的力。测试结果显示，实施例1-3所制备的被覆件的纳米硬度为48 52GPa。(3)高温抗氧化测试测试仪器为管式热处理炉，测试条件为升温速率为10°C /min，热处理温度为830°C，保温时间为0. 5h。测试结果显示，由本发明实施例1-3所制备的被覆件经830°C热处理0. 5h后均未见膜层明显氧化、脱落等现象。
权利要求
1.一种具有硬质涂层的被覆件，包括硬质基体及形成于该基体上的结合层，其特征在于该被覆件还包括形成于该结合层上的纳米复合层，该纳米复合层包括多层TiN层和多层TiON层，所述TiN层和TiON层交替堆叠。
2.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于所述TiN层中钛的质量百分含量为.76. 18% 77. 42%，氮的质量百分含量为22. 58% 23. 82%。
3.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于所述TiON层中钛的质量百分含量为75. 23% 77. 10%，氮的质量百分含量为15. 57 % 16. 27 %，氧的质量百分含量为.6. 83% 8. 59%。
4.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于所述每一TiN层与每一 TiON层的厚度大约均为5 15nm，该纳米复合层的总厚度为2 5微米。
5.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于该结合层为一钛铝合金层。
6.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于该硬质基体为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、不锈钢、镁合金及铝合金中的一种。
7.一种具有硬质涂层的被覆件的制备方法，包括以下步骤提供硬质基体；提供一磁控溅射设备，将该硬质基体放入该磁控溅射设备的转架上，在该磁控溅射设备的真空室内设置多对钛靶；开启钛靶，在硬质基体上溅射一由钛金属组成的结合层；开启钛靶，向真空室持续通入氮气，同时间歇性地通入氧气，在结合层上交替溅射多层TiN层和多层TiON层，以形成纳米复合层，该TiN层和该TiON层交替堆叠。
8.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于溅射所述结合层是在如下条件下进行真空室内真空度为1. 0 X 10_3 8. 0 X 10 ,通入流量为300 500sccm的氩气，硬质基体施加偏压至-100 -300V，钛靶的电流为40 50A，转架转速为1 5rpm，溅射时间为5 10分钟。
9.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于溅射所述纳米复合层是在如下条件下进行硬质基体施加偏压-100 -300V，钛靶的电流在40 70A之间，转架转速为1 5rpm，通入流量200 300sCCm为的氩气，持续向真空室通入氮气，氮气的流量在20 IOOsccm之间，同时每隔1. 5 4. 5分钟通入氧气，每次通入氧气持续的时间为1. 5 4. 5分钟，每次通入氧气的流量为20 lOOsccm，沉积时间为30 120分钟。
10.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于该硬质基体为高速钢、硬质合金、陶瓷、不锈钢、镁合金及铝合金中的一种。
全文摘要
本发明提供一种具有硬质涂层的被覆件，包括硬质基体及形成于该基体上的结合层，该被覆件还包括形成于该结合层上的纳米复合层，该纳米复合层包括多层TiN层和多层TiON层，所述TiN层和TiON层交替堆叠。本发明还提供一种上述被覆件的制备方法。本发明的被覆件具有较高硬度、耐磨损及优良的高温抗氧化性能。
文档编号C23C14/06GK102586731SQ20111000924
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月17日 优先权日2011年1月17日
发明者张新倍, 彭立全, 蒋焕梧, 陈文荣, 陈正士 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司