一种金属陶瓷复合结构的纳米多层膜及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种可以用于切削刀具表面强化的薄膜，更特别地说，是指一种金属陶瓷复合结构的纳米多层膜。
【背景技术】
[0002]切削工具是机械制造中用于切削加工的工具。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具” 一词一般就理解为金属切削刀具。随着制造业发展，高速、干式切削技术对刀具涂层的性能提出了更高的要求，除了要求具有更高的硬度和低摩擦系数等力学性能外，还要求涂层具有更高的抗高温氧化性。
[0003]物理气相沉积(Physical Vapor Deposit1n，PVD)技术处理温度低，对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向，工业发达国家自上世纪九十年代初就开始致力于硬质合金刀具PVD涂层技术的研宄，至九十年代中期取得了突破性进展，PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。
[0004]PVD涂层技术的新进展，显示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特优势，可不断开发出新的高性能涂层，涂层成分由第一代的TIN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN, TiAlCN, TiN-AlN, CNx 等多元复合涂层。
[0005]纳米多层膜由两种或两种以上不同材料相互交替形成，每相邻两层形成一个调制周期，周期在纳米尺度，故被称为纳米多层膜。在一定周期尺度范围内，多层膜的强度(或硬度)高于多层膜中各单层的强度平均值，而且随周期的减小而增大，表现出明显的强化效应，当多层膜的周期降低到约为几个纳米的临界值时，多层膜的强度不再随周期的减小而增大，而是达到饱和。
[0006]例如，TiAlN膜硬度为26Gpa，CrN膜硬度为20Gpa，而TiAlN/CrN膜纳米多层膜硬度达到32Gpa。
[0007]TiAlN/CrN膜是一种常用的纳米多层膜，具有高的硬度和良好的抗氧化性能，但也存在内应力高，韧性较差的缺点，这也是各类高硬度的纳米多层膜普遍存在的问题。高硬度纳米多层膜主要用于切削刀具的表面强化，在切削过程中，受力很大的刀刃部位的膜层会因为内应力高，韧性较差的发生崩裂和剥落而失去强化效果。
【发明内容】
[0008]为解决上述问题，本发明提出一种具有金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，这种金属陶瓷复合结构可以地降低高硬度纳米多层膜的内应力并提高其韧性，可以有效地提高膜层的抗崩裂和抗剥落性能。本发明的纳米多层膜是在TiAlN/CrN纳米多层膜的基础上通过复合金属亚层得到一种具有更优异性能的金属亚层[TiAl/Cr]间隔在陶瓷亚层[TiAlN/CrN]的纳米多层膜。
[0009]本发明涉及的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，是由氮化物陶瓷的TiAlN/CrN纳米多层膜亚层和金属(/金属间化合物)亚层的TiAl/Cr纳米多层膜亚层交替组成。本发明在陶瓷膜亚层中引入金属膜亚层可以有效地降低陶瓷膜层的内应力，提高金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的韧性。
[0010]本发明的一种金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，其是由顺次排序的第一金属亚层、第一陶瓷亚层、第二金属亚层、第二陶瓷亚层、直至第m金属亚层和第m陶瓷亚层组成；每一金属亚层由多层调制周期金属层构成，每一调制周期金属层由金属TiAl层和金属Cr层构成；每一陶瓷亚层由多层调制周期陶瓷层构成，每一调制周期陶瓷层由陶瓷TiAlN层和陶瓷CrN层构成。
【附图说明】
[0011]图1是本发明的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的剖面层结构示意图。
[0012]图2是本发明的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜中金属亚层的结构示意图。
[0013]图3是本发明的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜中陶瓷亚层的结构示意图。
[0014]图4是实施例1制得的具有五个亚层周期的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的剖面层结构示意图。
[0015]图4A是实施例1制得的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的??Μ照片。
【具体实施方式】
[0016]下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
[0017]参见图1所示，本发明涉及的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜是由顺次排序的第一金属亚层、第一陶瓷亚层、第二金属亚层、第二陶瓷亚层、直至第m金属亚层和第m陶瓷亚层组成。
[0018]参见图2所示，在本发明中，每一金属亚层由多层调制周期金属层构成，每一调制周期金属层由金属TiAl层和金属Cr层构成。每一调制周期金属层fjgjia = c+d)的厚度为I?10nm。具体地，每一金属亚层由具有周期型结构的TiAl层/Cr层/TiAl层/CrN层/……/TiAl层/Cr层纳米多层膜构成。
[0019]参见图3所示，在本发明中，每一陶瓷亚层由多层调制周期陶瓷层构成，每一调制周期陶瓷层由陶瓷TiAlN层和陶瓷CrN层构成。每一调制周期陶瓷层e周期(e周期=a+b)的厚度为2?20nm。具体地，每一陶瓷亚层由具有周期型结构的TiAlN层/CrN层/TiAlN层/CrN层/……/TiAlN层/CrN层纳米多层膜构成。
[0020]在本发明中，制作在切削刀具为基体上的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的总厚度记为H，每一金属亚层的厚度记为f，每一陶瓷亚层的厚度记为e，则H= (I?8) μπι，e: f = 3?15: 1，H = m(e+f)，m表示亚层层数。
[0021 ] 参见图2所示，在本发明中，每一金属亚层的厚度记为f，每一调制周期金属层的厚度记为:??,金属TiAl层的厚度记为C，金属Cr层的厚度记为d，则f = x(c+d) = xXf周期，X表示调制周期金属层的层数，y: X = 2?10: 1金属TiAl层的厚度c与金属Cr层的厚度d的比例关系为c: d = I?4: 1，d = (0.5?2)nm。
[0022]参见图3所示，在本发明中，每一陶瓷亚层的厚度记为e，每一调制周期陶瓷层的厚度记为，陶瓷TiAlN层的厚度记为a，陶瓷CrN层的厚度记为b，则e = y (a+b) = yXe周期，y表示调制周期陶瓷层的层数，y: X = 2?10: I。陶瓷TiAlN层的厚度a与陶瓷CrN层的厚度b的比例关系为a: b=l?4: l，b=(l?4)nm。
[0023]在本发明中，在设置了物理气相沉积的交替层数X或者y后，以及金属Cr层的厚度d和CrN层的厚度b后，通过控制物理气相沉积过程中的参数，则能够制作出不同层数、不同厚度的周期亚层结构的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜。
[0024]在本发明中，使用磁控溅射设备，应用磁控溅射镀膜工艺制作金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，在基体上先沉积第一金属亚层，然后顺着沉积第一陶瓷亚层、第二金属亚层、第二陶瓷亚层、……、第m金属亚层和第m陶瓷亚层；这样交替沉积到达所需厚度，形成金属陶瓷复合结构的纳米多层膜。
[0025]选取靶材:分别选取质量百分比纯度为99.9%的TiAl (Al含量25?66wt% )和质量百分比纯度为99.9%的Cr为靶材，以YG6硬质合金块为基体。
[0026](A)将基体和靶材置于磁控溅射设备的真空室中，对真空室抽真空至本底真空度为 2X KT3Pa ；
[0027](B)第一金属亚层的制备
[0028]通入质量纯度为99.999%的氩气作为工作气体，氩气分压为0.2?0.3Pa(即溅射工作气压为0.2?0.3Pa)，对基体施加50?200V的负偏压，基体温度为180?220°C ；TiAl靶溅射功率为60?80W，Cr靶溅射功率40?60W ；
[0029]开启溅射TiAl靶10?30秒后停止，然后开启溅射Cr靶4?6秒后停止，制得第一层调制周期TiAl/Cr金属层；
[0030]继续在开启溅射TiAl靶10?30秒后停止，然后开启溅射Cr靶4?6秒后停止，制得第二层调制周期TiAl/Cr金属层；
[0031]继续在开启溅射TiAl靶10?30秒后停止