专利名称：反应磁控溅射TiN/SiO的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种硬质涂层的制备方法，具体是一种反应磁控溅射TiN/SiO2硬质纳米多层涂层的制备方法。用于切削工具材料表面涂层制备技术领域。
背景技术：
切削速度≥100m/min的高速切削及不用或少用冷却液的干式切削由于其机械加工效率高，环境污染少，正日益成为切削技术发展的主流。但这种加工技术对刀具涂层的性能提出了更高的要求，不仅要求刀具涂层硬度高，摩擦系数小，而且还需具有较高的抗氧化能力。现有的刀具涂层尚未全面满足这些要求。如TiN涂层，硬度23±2GPa，氧化温度约为500℃；TiCN涂层的硬度高达40GPa，抗氧化温度却只有400℃；目前最佳的TiAlN涂层硬度为35±5GPa，抗氧化温度可达800℃，但仍不能满足高速切削和干式切削苛刻服役条件的需要。由于具有优良的高温化学稳定性，氧化物陶瓷被公认为最具有潜在应用前景的硬质涂层，遗憾的是氧化物涂层的力学性能，尤其是硬度远不及氮化物，单独作为刀具涂层使用效果不佳。
经对现有技术的检索发现，美国专利US6333099B1则提供了一种具有优良抗氧化性能的MeN/Al2O3纳米多层涂层，这种多层涂层由层厚为0.1～30nm的MeN层和Al2O3层交替沉积而形成，其中MeN中的Me可以是Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W、Al等元素或者它们的混合物。该涂层总厚度为0.5～20μm，其硬度不低于组成物MeN和Al2O3单层涂层的硬度。虽然该专利提出的这种MeN/Al2O3纳米多层涂层可以用化学气相沉积方法(CVD)和物理气相沉积方法(PVD)制备，但并未提供具体的制作细则。
中国专利(公开号CN1587434)提供了一种高硬度含氧化物TiN/SiO2纳米多层涂层。这种涂层通过控制SiO2层的厚度，使SiO2层在小于1.2nm时，借助于TiN层的晶体结构产生晶化，并与TiN层共格外延生长，形成多晶超晶格结构。这种超晶格结构特征使得以上纳米多层涂层呈现硬度和弹性模量升高的超硬效应，其硬度可达40GPa以上。并且，由于层状SiO2的存在，这种多层涂层具有优良的高温抗氧化性。但是，该专利提出的TiN/SiO2纳米多层涂层的制备方法是在Ar气氛中通过射频溅射方法溅射TiN和SiO2陶瓷靶获得的。这种制备技术虽然实现了在同一个真空室内同时制备氮化物(TiN)和氧化物(SiO2)，并且能够实现很快的交替速度沉积周期变化的纳米多层涂层，但是，其中采用的陶瓷靶的沉积效率远低于采用金属靶通过与反应气体(如N2气)进行反应溅射沉积涂层的效率，目前还未能达到实现工业规模化生产的水平。
此外，对于由氮化物和氧化物组成的纳米多层涂层，虽然也可以采用双气源(即两种反应气体N2和O2)的方式，通过两种反应气体的不断切换来分别反应溅射获得氮化物和氧化物，但因气体切换需要的时间较长，且对工业生产设备的要求较高，这种方法也不适用于纳米多层涂层的工业化生产。
发明内容
针对以上氮化物/氧化物纳米多层涂层制备效率偏低的问题，本发明提供了一种反应磁控溅射TiN/SiO2硬质纳米多层涂层的制备方法，使其采用在Ar气和N2气的混合气氛中反应磁控溅射制备TiN/SiO2纳米多层涂层，可以获得很高的涂层生长效率，满足工业化生产具有高硬度和优异抗氧化性能、适用于高速切削的和干式切削刀具涂层的需要。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用多靶磁控溅射涂层制备设备，金属Ti靶和陶瓷SiO2靶分别由独立的射频阴极控制，在Ar和N2混合气氛中进行反应磁控溅射。TiN/SiO2纳米多层涂层中的TiN层通过溅射金属Ti靶并与N2气反应生成，而SiO2层则由SiO2化合物靶直接溅射获得。多层涂层通过基体在Ti靶和SiO2靶前交替接受溅射形成层状结构。
所述的反应磁控溅射，其溅射气体为Ar，分压为PAr＝0.4～0.5Pa。
所述的反应磁控溅射，其反应气体为N2，分压为PN2＝0.04～0.08Pa。
所述的反应磁控溅射，TiN层和SiO2层的厚度分别由两靶的溅射功率以及基体停留于各靶前接受溅射材料的时间控制，并因受溅射时氮分压的影响而略有变化。
所述的基体，是金属、硬质合金或陶瓷，其沉积时的温度＜200℃。
本发明提供的高效制备TiN/SiO2纳米多层涂层的技术关键在于1)所采用的SiO2陶瓷是一种化学性质非常稳定的氧化物，本发明采用所述的反应磁控溅射技术制备的TiN/SiO2纳米多层涂层中的SiO2层不会渗氮。2)所制备的TiN/SiO2纳米多层涂层，其每个双层周期中TiN层的厚度(4.0～15nm)远大于SiO2层的厚度(0.3～1.3nm)。因而，只要提高TiN层的沉积速率，就可以使TiN/SiO2纳米多层涂层的制备效率得到显著提高，而本发明正是采用了金属Ti靶直接与反应气体N2气反应溅射来沉积TiN层的，相比较于TiN陶瓷靶在Ar气氛中的直接溅射，沉积速率得到了大幅提高。3)N2气分压在一定范围内的改变(0.04Pa～0.09Pa)，对所得到的多层涂层的微结构和力学性能影响不大，给工业的实际生产操作带来了便利。
本发明制得的多层涂层能够获得35GPa以上的硬度，并同时具有超过800℃的高温抗氧化性。可应用于高速切削和干式切削的刀具保护涂层以及其他耐磨的涂层的工业规模化生产。
具体实施例方式
本发明方法具体步骤如下1.采用具有可独立控制的射频阴极的多靶磁控溅射涂层设备；2.将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，安装于真空室内可转动的基片架上；3.将金属Ti靶和化合物SiO2靶分别置于独立的射频阴极上。
4.真空室内背底真空≤10-3Pa后，向其中通入Ar、N2混合气体，其中Ar气分压为0.4～0.5Pa，N2气分压为0.04～0.08Pa；5.转动基片架，使基片分别于Ti靶和SiO2靶前接受溅射材料形成多层涂层。其中TiN层由金属Ti靶与N2反应溅射获得，而SiO2层则由SiO2陶瓷靶直接溅射制备。
6.纳米多层涂层中各调制周期内TiN层和SiO2层的厚度通过各靶的溅射功率和基片在各靶前停留的时间控制。TiN/SiO2纳米多层涂层由SiO2层和TiN层交替沉积在金属或陶瓷的基体上组成，SiO2层的厚度为0.3～1.3nm，TiN层的厚度为4.0～15nm，如此交替沉积形成总厚度为2～5μm厚的TiN/SiO2纳米多层涂层。
以下结合本发明内容提供实施实例实例一本发明TiN/SiO2多层涂层的制备方法的具体工艺参数为Ar气分压为0.4Pa，N2气分压为0.08Pa，Ti靶溅射功率为220W，沉积时间为15秒，SiO2靶溅射功率为40W，沉积时间为4秒，基片温度＜200℃。由此得到的TiN/SiO2多层涂层中TiN层的厚度为4.6nm，SiO2层厚为0.3nm，涂层的硬度为35.3GPa。
实例二本发明TiN/SiO2多层涂层的制备方法的具体工艺参数为Ar气分压为0.4Pa，N2气分压为0.08Pa，Ti靶溅射功率为220W，沉积时间为15秒，SiO2靶溅射功率为40W，沉积时间为6秒，基体温度＜200℃。由此得到的TiN/SiO2多层涂层中TiN层的厚度为4.6nm，SiO2层厚为0.5nm，涂层的硬度为40.0GPa。
实例三本发明TiN/SiO2多层涂层的制备方法的具体工艺参数为Ar气分压为0.4Pa，N2气分压为0.08Pa，Ti靶溅射功率为220W，沉积时间为15秒，SiO2靶溅射功率为40W，沉积时间为14秒，基体温度＜200℃。由此得到的TiN/SiO2多层涂层中TiN层的厚度为4.6nm，SiO2层厚为1.3nm，涂层的硬度为32.6GPa。
实例四本发明TiN/SiO2多层涂层的制备方法的具体工艺参数为Ar气分压为0.4Pa，N2气分压为0.08Pa，Ti靶溅射功率为220W，沉积时间为50秒，SiO2靶溅射功率为40W，沉积时间为4秒，基体温度＜200℃。由此得到的TiN/SiO2多层涂层中TiN层的厚度为14nm，SiO2层厚为0.6nm，涂层的硬度为36.6GPa。
实例五本发明TiN/SiO2多层涂层的制备方法的具体工艺参数为Ar气分压为0.4Pa，N2气分压为0.04Pa，Ti靶溅射功率为220W，沉积时间为15秒，SiO2靶溅射功率为40W，沉积时间为4秒，基体温度＜200℃。由此得到的TiN/SiO2多层涂层中TiN层的厚度为6.5nm，SiO2层厚为0.5nm，涂层的硬度为41.0GPa。
权利要求
1.一种反应磁控溅射TiN/SiO2硬质纳米多层涂层的制备方法，其特征在于采用多靶磁控溅射涂层制备设备，金属Ti靶和陶瓷SiO2靶分别由独立的射频阴极控制，在Ar和N2混合气氛中进行反应磁控溅射，TiN层通过溅射金属Ti靶并与N2气反应生成，而SiO2层则由SiO2化合物靶直接溅射获得，多层涂层通过基体在Ti靶和SiO2靶前交替接受溅射形成纳米层状结构。
2.根据权利要求1所述的反应磁控溅射TiN/SiO2硬质纳米多层涂层的制备方法，其特征是，包括以下步骤1)采用具有独立控制的射频阴极的多靶磁控溅射涂层设备；2)将经抛光和清洗干燥后的陶瓷或金属基材安装于真空室内可转动的基片架上；3)将金属Ti靶和化合物SiO2靶分别置于独立的射频阴极上；4)真空室内背底真空≤10-3Pa后，向其中通入Ar、N2混合气体；5)开启控制Ti靶和SiO2靶的射频阴极电源，使靶前产生等离子体，对靶进行溅射；6)转动基片架，使基片分别于Ti靶和SiO2靶前接受溅射材料形成纳米多层涂层，纳米多层涂层中各调制周期内TiN层和SiO2层的厚度通过各靶的溅射功率和基片在各靶前停留的时间控制，交替沉积形成TiN/SiO2纳米多层涂层。
3.根据权利要求1或者2所述的反应磁控溅射TiN/SiO2硬质纳米多层涂层的制备方法，其特征是，Ar气分压为0.4～0.5Pa，N2气分压为0.04～0.08Pa。
4.根据权利要求2所述的反应磁控溅射TiN/SiO2硬质纳米多层涂层的制备方法，其特征是，所述的基体，其沉积时的温度＜200℃。
5.根据权利要求2所述的反应磁控溅射TiN/SiO2硬质纳米多层涂层的制备方法，其特征是，TiN层厚度为4.0～15nm，SiO2层厚度为0.3～1.3nm。
6.根据权利要求2或者5所述的反应磁控溅射TiN/SiO2硬质纳米多层涂层的制备方法，其特征是，TiN层和SiO2层的厚度分别由两靶的溅射功率以及基体停留于各靶前接受溅射材料的时间控制。
全文摘要
一种反应磁控溅射TiN/SiO
文档编号C23C14/06GK1888131SQ20061002913
公开日2007年1月3日 申请日期2006年7月20日 优先权日2006年7月20日
发明者孔明, 李戈扬, 刘艳, 戴嘉维 申请人:上海交通大学