一种等离子辅助电弧技术制备TiCN成分梯度硬质涂层的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及表面硬质涂层制备领域，具体涉及一种等离子辅助电弧技术制备TiCN成分梯度硬质涂层的方法。
【背景技术】
[0002]随着制造加工技术的进步，机械加工不断向高精化、高速化方向发展，特别是高速高精度数控机床加工向以车代磨、以铣代磨、以钻代铰的方向发展，对刀具涂层在切削性能、硬度、抗氧化性能和表面光洁度等方面提出了更高的要求。硬质合金和高速钢刀具因其固有的优良特性已获得广泛的工程应用，为了进一步提高硬质合金刀具的切削加工性能和使用寿命，工业发达国家80%以上的硬质合金刀具都经过表面涂覆处理。涂层技术已和刀具材料、刀具设计与制造一起成为切削刀具的三大关键技术。基于切削加工追求的目标是高精度、高效率、低成本、绿色环保，“高韧性高强度基体+高硬度高耐磨性刃部”仍是未来刀具的主要发展方向。
[0003]尚碳络轴承钢，由于其具有尚强度、尚耐磨性和良好的疲劳性能，占国内轴承用钢市场份额的90%以上。为提高零件的使用寿命，增强其疲劳强度、尺寸稳定性、硬度和表面耐磨性，非常重要的处理方法是在表面制备硬质涂层。
[0004]氮碳化钛(TiCN)涂层是在二元TiN和TiC涂层的基础上发展起来的一种新型三元复合涂层，是TiN和TiC的固溶体，兼具TiN附着强度好和TiC耐磨性好的优点。在TiN涂层中加入C，大大提高了涂层的硬度和模量，同时降低了涂层的摩擦系数，提高了其磨损性會泛(Jinlong Li, Shihong Zhang, Mingxi L1.1nfluence of the C2H2 flow rateon gradient TiCN films deposited by mult1-arc 1n plating[J].Applied SurfaceScience, 2013 (283): 134-144.)。TiCN涂层颜色为紫红色，硬度比TiN高，且摩擦系数小，附着强度好，对粘结磨损有一定的抑制作用。
[0005]传统的TiCN涂层往往是碳元素和氮元素在涂层中均与分布的成分均一的整体单层涂层，或者是TiC和TiN层交替沉积的多层TiCN涂层。前者无成分的梯度变化，得到的TiCN整体涂层没有非常有效发挥TiN附着强度好和TiC耐磨性好的优点；后者实质是TiC和TiN层的机械叠加，而不是真正意义上的C固溶于TiN的固溶体。从理论分析来看，成分梯度变化的TiCN整体单层涂层将会表现出更佳的综合性能。
[0006]TiCN薄膜的制备方法主要有射频磁控溅射、反应磁控溅射法、空心阴极离子镀(HCD)、电弧离子镀和离子束辅助沉积法(IBAD)等，它们均能得到实用化的TiCN薄膜，其中以电弧离子镀的应用最为广泛。电弧离子镀的特点是高效、低成本和高离化率，多弧沉积中，基体可以保持在较低温度，这样几乎不会影响材料的机械性能，同时能够大幅度提高硬度和耐磨损性能。
[0007]与传统电弧离子镀膜技术相比，先进等离子辅助电弧(Advanced PlasmaAssisted Arc，简称APA-Arc)技术具有明显的优势，先进的磁场设计与优化技术，代表了电弧蒸发技术的发展趋势。其优点是电弧运动速度更快、蒸发的粒子尺寸更小、液滴更少、蒸发效率更高、靶材利用率更高、涂层附着力和力学性能优异、表面更光滑，在先进切削刀具、精密成型模具、关键零部件等领域具有良好的应用前景。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于克服传统TiCN涂层的不足，采用先进等离子辅助电弧技术，提供这一种等离子辅助电弧技术制备TiCN成分梯度硬质涂层的方法，该方法制备的成分梯度TiCN硬质涂层心部层氮含量高、表面层碳含量高，能够进一步改善TiCN涂层与基体结合强度，提高涂层的硬度和表面光洁度，增强耐磨性能。该方法适用于在硬质合金和铁基工具钢等基体表面制备。本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种等离子辅助电弧技术制备TiCN硬质梯度涂层的方法，其步骤如下:
I)基体表面预处理，将硬质合金和铁基合金基体依次研磨、抛光、超声清洗与真空干燥。
[0009]2)基体表面离子清洗与刻蚀，采用电弧增强型辉光放电技术对基体表面进行离子清洗与刻蚀，增强膜基结合能力。
[0010]3)涂层蒸发沉积，在基体表面沉积成分梯度TiCN硬质涂层，涂层的心部层氮含量高，表面层碳含量高。
[0011]进一步地，在步骤I)中，所述研磨的方法可将基体分别在800目和1500目的金刚石砂轮盘上进行粗磨和细磨各15min ;所述抛光的方法可用W2.0的金刚石抛光粉进行抛光使试样表面粗糙度达到0.2~0.4 μπι ;所述超声清洗是将抛光后的基体用丙酮酒精混合溶液超声清洗30 min，然后真空干燥。
[0012]进一步地，在步骤2)中，所述基体表面离子清洗与刻蚀方法是将基体电压从50V到300V逐渐增加；正电压20V，脉冲频率20Hz，脉冲宽度80 μ s，电流限制为15A，频率1000Hz,阳极棒电压从80V增加到85V ;气体压强为1.0X 10 2mbar ;基体的温度为550°C;通AAr气的流量为20(T300SCCm，使电离产生的氩离子加速撞击基体表面。离子清洗与刻蚀时间为60min。该步骤可以进一步清除基体表面的氧化物、杂质和油污等，同时，对基体表面进行“原子尺度的微喷砂”处理，以增强基体与涂层之间的结合能力。
[0013]进一步地，在步骤3 )中，所述蒸发沉积方法是分两个阶段进行的，通过改变反应气体的流量实现硬质涂层心部层富氮、表面层富碳的成分梯度结构。第一阶段制备心部富氮层，具体工艺参数为:基体负偏压为50V，电流限制为25A，频率为1000Hz，电弧靶A和B的工作电流均为10(Γ150Α，基体温度为500°C，N2通入流量为50(T600sccm，C 2H2通入流量为5~40sCCm，蒸发沉积时间为15~30min。第二阶段制备表面富碳层，具体工艺参数为:基体负偏压为50V，电流限制为25A，频率为1000Hz，电弧靶A和B的工作电流均为10(Tl50A，基体温度为500°C，N2通入流量为30(T500sccm，C 2H2通入流量为10(T200sccm，蒸发沉积时间为3(T50min。所述靶材为高纯度99.99%的Ti靶，通入的反应气体C2H2和N 2的纯度均为99.99%ο
[0014]本发明采用先进等离子辅助电弧(Advanced Plasma Assisted Arc，APA-Arc)技术在一定负偏压、沉积温度、气体压强条件下，通过控制反应气体流量在基体表面制备成分梯度硬质涂层。本发明由于采用了电弧增强型辉光放电技术对基体表面进行离子清洗与刻蚀，膜基结合力有效增强，达到压痕试验实验标准的HFl级；涂层成分梯度变化，表层碳含量高，有效提高了表面光洁度，涂层表面的粗糙度约为0.2~0.3 μπι;心部层氮含量高，有效增强涂层的硬度，显微硬度达到280(T3010HVai。与传统方法制备TiCN涂层相比，本发明显著有效提高了 TiCN涂层的硬度和膜基结合能力，降低了表面粗糙度，提高耐磨性能，有效提高了涂层刀具和机械零部件的加工效率和使用寿命。且涂层工艺简单，易于实施，更适合于工业化生产。
[0015]与现有技术相比，本发明具有以下优点:
(I)本发明采用先进等离子辅助电弧技术(APA-Arc)具有电弧运动速度更快、蒸发的粒子尺寸更小、液滴更少、蒸发效率更高、靶材利用率更高、涂层附着力和力学性能优异、表面更光滑等优点。配合行星式试样架的多轴旋转功能，能够在同一电弧沉积参数下，根据实际要求，在行星式试样架不同位置装夹试样，在试样表面可控制备不同厚度的涂层。本发明制备的TiNC涂层厚度在1~3 μπι之间。
[0016](2)所述制备过程中采用电弧增强型辉光放电技术(Arc Enhanced GlowDischarge,AEGD)对基体表面进行离子清洗与刻蚀，有效强化了膜基结合力，根据压痕试验规范(VDI 3198 standard 1991)膜基结合力达到HFl。
[0017](3)本发明制备的硬质涂层是梯度分布的，涂层中C元素的含量从膜基结合部位到涂层表面逐渐增加，表层C含量较高，有利于降低摩擦系数。涂层中N元素的含量从涂层表面到膜基结合部位逐渐增加，心部层N含量高，有效增强涂层的硬度。同时，成分的梯度变化，降低了涂层成分突变而造成的内应力，有效提高了膜基结合力。涂层组织均匀致密，表面大颗粒物尺寸小于5 μπι，与传统制备方法相比明显细化，表面粗糙度较低；涂层硬度高达 2800^3010^0.! ο
【附图说明】
[0018]图1为实施例1制备的TiCN涂层和基体的XRD图谱。
[0019]图2为实施例1制备的TiCN涂层表面SEM图谱，其放大倍数为2000倍，标尺为2 μ m0
[0020]图3为实施例2制备的TiCN涂层表面SEM图谱，其放大倍数为2000倍，标尺为2 μ m0
[0021]图4为实施例3制备的TiCN涂层表面SEM图谱，其放大倍数为2000倍，标尺为2 μ m0
[0022]图5为实施例1制备的TiCN涂层截面SEM图谱，其放大倍数为5000倍，标尺为I μ m0
[0023]图6为实施例2制备的TiCN涂层截面SEM图谱，其放大倍数为10000倍，标尺为I μ m0
[0024]图7为实施例3制备的TiCN涂层截面SEM图谱，其放大倍数为20000倍，标尺为200nmo
[0025]图8为实施例1制备的TiCN涂层截面元素分布的线扫描结果图。
[0026]图9为实施例2制备的TiCN涂层截面元素分布的线扫描结果图。
[0027]图10为实施例3制备的TiCN涂层截面元素分布的线扫描结果图。
[0028]图11为实施例1制备的TiCN涂层压痕结果图，其放大倍数为700倍，标尺为100 μ mD
[0029]图12为实施例2制备的TiCN涂层压痕结果图，其放大倍数为100倍，标尺为100 μ mD
[0030]图13为实施例3制备的TiCN涂层压痕结果图，其放大倍数为100倍，标尺为100 μ mD
【具体实施方式】
[0031]以下结合说明书附图和实施例对本发明作进一步描述。
[0032]实施例1:YG6硬质合金表面制备TiCN成分梯度硬质涂层
1.基体表面预处理:(I)研磨抛光:将基体分别在800目和1500目的金刚石砂轮盘上进行充分的粗磨和细磨，粗细磨的时间控制在15min，在粗、细研磨之间以及细研磨之后，对试样进行超声清洗，去掉研磨过程中产生的磨肩和油污，超声清洗时间均为lOmin，并用烘箱烘干。试样经过研磨后，再用W2.0的金刚石抛光粉进行抛光，抛光时间为20min，抛光完成后试样表面粗糙度约为0.25±0.03 μm0 (2)超声清洗:将抛光后的基体用丙酮酒精混合溶液超声清洗30min，然后真空干燥。
[0033]2.基体表面离子清洗与刻蚀。在