专利名称：CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法， 属于薄膜材料领域。
背景技术：
当今一个国家数控机床的生产量和应用程度，已成为衡量一个国家工业化程度和 技术水平的重要标志之一，也是提高一个国家综合实力和竟争力的重要手段。随着世界先 进技术的兴起和不断成熟，对数控技术提出了更高的要求。当今数控机床正在不断采用最 新成果，朝着高速高效、高精度、高可靠性与环保等方向发展。以航空航天、汽车工业为代表的先进制造业使用材料的性能不断提高，轻质强韧 材料的使用日渐增多，加工难度日益增大。机加工行业为了降低成本和保护环境，逐渐推 广不使用切削液进行的切削或极微量润滑的准干切削技术，也使某些材料的机加工难度增大。作为数控机床、数控加工技术关键的刀具，其性能对切削加工的效率、精度、表面 质量有着决定性的影响。刀具材料直接影响刀具的使用性能，大多数材料在使用过程中出 现失稳、损伤和破坏，且都是从表面开始。表面涂层数控刀具，尤其是表面涂层的硬质合金 刀具综合了硬质合金基体材料强度高、韧性好的特点和表面涂层硬度高、耐磨性好的优势， 基体材料与涂层材料优势互补，特别是使刀具本体材料高强度和涂层的高硬度优势得到充 分利用，有效解决了表面失效机制，受到机械加工用户的欢迎。刀具表面的硬质涂层要求高硬度、耐磨、耐热、化学性能稳定，与基体附着牢固 等。目前使用较多的工业化生产涂层主要有TiN、TiC涂层、金刚石涂层和TiAlN涂层，与 需要加工的各种材料相比，涂层种类仍然十分有效，但很难全部达到上述技术要求。例如， TiN与基体结合强度不高，涂层易剥落，且硬度也较低，在切削温度较高时膜层易氧化而被 烧蚀。TiC涂层有较高的硬度与耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐冲击。单一涂层均很 难满足高速切削对刀具涂层的综合要求，故往往制成多元复合涂层，配制成较理想的刀具 涂层材料。实际生产中加工对象涉及到黑色金属、有色金属和各种复合材料、新材料，对切 削刀具提出了越来越高的要求，因此，需要降低涂层的内应力，提高涂层的韧性，增加涂层 的厚度，阻止裂纹的扩散，减少刀具崩刃不同需求的新型高性能超硬涂层材料，并设计开发 相应的涂层制造设备和技术。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，为加工行业提供一种CrTiAlSiN纳 米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法。实现本发明目的所采用的技术方案是一种CrTiAlSiN纳米复合涂层，包括粘结层、支撑层和主耐磨层，支撑层附着在粘结层上面，主耐磨层附着在支撑层上面，粘结层为Cr，支撑层为CrN，主耐磨层是由CrSiN层 与TiAlSiN层交替构成的CrSiN/TiAlSiN纳米多层涂层，或者是由纳米晶CrTiAlN镶嵌于 非晶Si3N4的nc-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层。一种沉积有上述CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具，至少包括刀具基体，CrTiAlSiN 纳米复合涂层的粘结层沉积在刀具基体上。一种沉积有上述CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具的制备方法，包括以下步骤将 表面洁净的刀具基体装夹在工件架上进行辉光清洗；辉光清洗结束后，在Ar气环境、真空 度1. 5 X 1(Γ2 2. 5 X IO-2Pa,300 400°C、_600 -900V偏压条件下，打开多弧Cr靶在刀具 基体上沉积Cr粘结层；然后在氮气环境、真空度1. 5 3. OPa,300 400°C、-150 -500V 偏压条件下，在Cr粘结层上沉积CrN支撑层；在氮气环境下，通入200 600sCCm的SiH4和 /或开启磁控溅射柱状Si靶，在真空度3. 0 5. OPa,300 400°C、偏压-150 -400V条 件下，打开TiAl靶，在CrN支撑层上沉积CrTiAlSiN主耐磨层；沉积结束后，自然冷却，得到 沉积有CrTiAiSiN纳米复合涂层的刀具。以上所述粘结层厚度为50 100纳米，支撑层厚度为100 200纳米，主耐磨层 厚度为1. 7 2. 85微米；所述刀具为硬质合金刀具。工件架的公转速度为2 7转/分时，主耐磨层为CrSiN层与TiAlSiN层交替构 成的CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂层，工件架的公转速度为8 13转/分时，主耐磨层 为纳米晶CrTiAlN镶嵌于非晶Si3N4的nc-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层。以上所述CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂层中，每层CrSiN厚度为3 10纳米， 每层TiAlSiN厚度为2 5纳米；所述nc-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层中，CrTiAlN纳 米晶的尺寸为5 15纳米。本发明针对现有硬质涂层制备技术和性能的缺陷，以及沉积系统自身的局限性， 在超精细硬质合金刀具表面制备CrTiAlSiN纳米复合涂层，通过多弧蒸镀Cr靶和TiAl合 金靶获得Cr、Ti、Al，而Si的获得可通过以下3种途径来实现(I)SiH4气体电离；(2)磁控 溅射柱状Si靶；(3)同时采用SiH4气体电离和磁控溅射柱状Si靶。本发明的镀膜方法一 方面使CrTiAlSiN纳米复合涂层具有很高的表面硬度；另一方面通过Cr粘结层和CrN支 撑层的使用大幅度降低涂层内应力，提高了涂层的结合强度，克服了常规硬质涂层制备技 术引起的涂层内应力高、附着力差，以及多弧大颗粒问题等缺点。因此，本发明具有如下优占.本发明的CrTiAlSiN纳米复合涂层由于具有Cr粘结层和CrN支撑层，因而有较强 的附着力；普通的TiAlN和CrTiAlN涂层由于与刀具基体材料晶格常数的差异，存在一定 的内应力，在膜层较厚时容易出现穿透性，本发明掺入Si，形成非晶Si3N4，可使膜层的内应 力得到有效的释放，从而进一步提高涂层的附着力。工件架的公转速度决定涂层结构，根据 工件架公转速度的不同，形成的主耐磨层是由CrSiN层与TiAlSiN层交替构成的、空间周期 (即单层CrSiN加上单层TiAlSiN的厚度)为5_15纳米的超晶格交替复合涂层，或者由晶粒 尺寸为5-15纳米的纳米晶CrTiAlN镶嵌于非晶Si3N4的纳米晶复合涂层，使得膜-基结合力 进一步改善。另一方面，根据理论计算，在纳米尺度上复合的超晶格涂层或纳米晶涂层具有 超过组分涂层的硬度，而主耐磨层各组分的硬度均可达到30GPa以上，因此所得CrTiAlSiN 纳米复合涂层的硬度接近40GPa。
综上所述，本发明所得CrTiAlSiN纳米复合涂层具有高硬度(35GPa)、低摩擦系数 (0. 3)、良好的附着力(大于70N)、耐高温性能好(超过1000°C )的特点，以该涂层制备的 超细晶硬质合金刀具在表面耐磨润滑及抗高温方面表现出很大的优势，可有效解决硬质合 金表面的摩擦磨损问题，带来巨大的经济和社会效益。
图1为本发明沉积有CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具的制备装置示意图；图2为本发明制备的CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂层的透射电镜图；图3为本发明制备的nC-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层的透射电镜图；图4为本发明的CrTiAlSiN纳米复合涂层样品的附着力测试曲线图；图5为本发明的CrTiAlSiN纳米复合涂层的硬度随SiH4流量的变化曲线图；图6为本发明的CrTiAlSiN纳米复合涂层的摩擦系数随SiH4流量变化曲线图；图1中，1.抽真空系统；2.真空室；3.加热器；4.多弧Cr靶；5.多弧TiAl靶； 6.磁控溅射柱状Si靶；7.工件架；8.多路通气管道；9.炉门。
具体实施例方式下面通过附图和具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护内容不局 限于以下实施例。如图1所示，本发明用来制备沉积有CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具的装置包括 抽真空系统1、真空室2、加热器3、多弧Cr靶4、多弧TiAl靶5、磁控溅射柱状Si靶6、工件 架7、多路通气管道8和循环冷却水系统。抽真空系统1由一个扩散泵、一个罗茨泵和两个 机械泵构成，用来维持镀膜腔的真空，本底真空可达到7 X ICT4Pa ；真空室2与抽真空系统1 相连，其内壁固装有加热器3，用于加热除气和镀膜过程升温；多弧Cr靶4和多弧TiAl靶5 交替分布于真空室2的炉壁四周，由0 168A高频逆变式电源供电，利用高度离化的金属 Cr离子，轰击工件表面，提高涂层与工件之间的附着力，工件偏压由30kW直流脉冲电源提 供，偏压可在0 1000V范围内连续调节；磁控溅射柱状Si靶6位于真空室2的中央，其直 径为100 200mm，由500W射频电源驱动，用于提供涂层所需的Si原子。多弧Cr靶4、多 弧TiAl靶5和磁控溅射柱状Si靶6之间为500 750mm的空间，该空间为涂层沉积区域， 磁控溅射柱状Si靶6的周围设有若干个工件架7，呈环状分布于磁控溅射柱状Si靶6的 外围，工件装在工件架7上，本发明实施例所用的工件为硬质合金刀具，工件架进行三维转 动，即工件架绕炉体中心轴的公转、工件架的自转和工件的自转，以保证镀膜的均勻性；多 路通气管道8分布于真空室2的炉门9两侧，Ar、N2和SiH4气体分别由质量流量计控制，经 多路通气管道8进入真空室2中；循环冷却水系统由两路循环系统提供，均为5kW冷水机， 一路与抽真空系统1的扩散泵冷却管路相连用来冷却扩散泵，另一路通过靶体上的水管与 多弧Cr靶4、多弧TiAl靶5和磁控溅射柱状Si靶6相连，用来冷却靶材部分。冷却水的温 度控制在15°C，可有效降低并控制靶材表面温度，大大降低纳米复合涂层表面颗粒度。实施例1首先，将硬质合金刀具清洗干净，装夹在工件架上，开始抽真空，当真空度高于 5X IO-3Pa时，开始加热除气，温度控制在300°C，工件架公转速度3转/分。当真空度5X 10_3Pa时，通入Ar气，温度控制在300°C，开偏压电源，偏压控制在-800V，对刀具基体辉 光清洗30分钟。辉光清洗结束后，真空度调节为2X 10_2Pa，偏压保持在-800V，温度控制 在300°C，打开Cr靶，对刀具基体轰击10分钟，得到厚度为70纳米的Cr粘结层；轰击完毕 后，将偏压调节为-200V，关闭Ar气通道，通入N2气将真空度调节到2. OPa，温度300°C，在 Cr粘结层上沉积10分钟，得到厚度为200纳米的CrN支撑层。CrN支撑层沉积结束后，通 入400SCCm的SiH4,通过调节N2流量将真空度控制在3. 3Pa,保持偏压-200V，温度300°C， 打开TiAl靶，在CrN支撑层上沉积40分钟，得到厚度为2微米的CrTiAlSiN主耐磨层，该 主耐磨层是由CrSiN层与TiAlSiN层交替构成的CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂层，每层 CrSiN厚度为5 5. 3纳米，每层TiAlSiN厚度为3 3. 3纳米。沉积结束后，自然冷却至 室温后取出刀具，即得到沉积有CrTiAlSiN纳米复合涂层的硬质合金刀具，其耐高温性能 超过 IOOO0Co实施例2将硬质合金刀具清洗干净，装夹在工件架上，开始抽真空，当真空度高于5 X IO-3Pa 时，开始加热除气，温度控制在370°C，保持工件架公转速度为9转/分，当真空度5X 10_3Pa 时，通入Ar气，温度控制在370°C，开偏压电源，偏压控制在-800V，对刀具基体进行辉光清 洗，辉光时间为40分钟。辉光清洗结束后，在真空度1. 5X10_2Pa，温度370°C、-800V偏压 下，打开Cr靶，对刀具基体轰击15分钟，得到100纳米厚的Cr粘结层；轰击完毕后，关闭Ar 气通道，通入N2气将真空度调节到2. OPa,调节偏压为-250V，温度控制在370°C，在Cr粘结 层上沉积5分钟，得到100纳米厚的CrN支撑层。CrN支撑层沉积结束后，调节N2将真空度 控制在5Pa，温度控制在370°C，保持偏压为-250V，打开TiAl靶和Si靶，在CrN支撑层上 沉积45分钟，得到厚度为2微米的主耐磨层，该主耐磨层是由纳米晶CrTiAlN镶嵌于非晶 Si3N4的nc-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层，纳米晶CrTiAlN的尺寸为8 15纳米。沉 积结束后，自然冷却至室温后取出刀具，即得到沉积有CrTiAlSiN纳米复合涂层的硬质合 金刀具，其耐高温性能超过1000°C。实施例3将硬质合金刀具清洗干净，装夹在工件架上，开始抽真空，当真空度高于5 X KT3Pa 时，开始加热除气，温度控制在350 °C，保持工件架公转速度为11转/分，当真空度 5X 10_3Pa时，通入Ar气，温度控制在350°C，开偏压电源，偏压控制在-800V，对刀具进行辉 光清洗，辉光时间45分钟。辉光清洗结束后，真空度调节为2. 2 X IO-2Pa,温度控制在350°C、 偏压保持在-900V，打开Cr靶，对刀具基体轰击15分钟，得到80纳米厚的Cr粘结层；轰击 完毕后，偏压降到-200V，断掉Ar气，通入N2气将真空度调节到2. OPa，温度控制在350°C， 在Cr粘结层上沉积10分钟，得到200纳米厚的CrN支撑层。CrN支撑层沉积结束后，通入 240sccm的SiH4，通过调节N2将真空度控制在3. 3Pa，温度350°C，偏压-200V，打开TiAl靶 和Si靶在CrN支撑层上沉积40分钟，得到厚度为2. 1微米的CrTiAlSiN主耐磨层，该主耐 磨层是由纳米晶CrTiAlN镶嵌于非晶Si3N4的nc-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层，纳米 晶CrTiAlN的尺寸为5 8纳米。沉积结束后，自然冷却至室温后取出刀具，即得到沉积有 CrTiAlSiN纳米复合涂层的硬质合金刀具，其耐高温性能超过1000°C。图2为本发明在工件架的公转速度为2 7转/分下制备的CrSiN/TiAlSiN纳米 多层复合涂层的透射电镜图，从图中可以明显看出，主耐磨层是由多层涂层构成的纳米多层复合结构。图3为本发明在工件架的公转速度为8 13转/分下制备的nC-CrTiAlN/a-Si3N4 纳米晶复合涂层透射电镜图，从图中可以明显看出其为纳米晶镶嵌结构。图4为本发明的CrTiAlSiN纳米复合涂层的附着力曲线图，从图中可以看出当加 载力增加到70N以上时，才出现连续震荡，发出声音信号，说明CrTiAlSiN纳米复合涂层的 附着力大于70N。图5为本发明的CrTiAlSiN纳米复合涂层的硬度随SiH4流量的变化曲线图，随着 SiH4流量增加，涂层硬度逐渐提高，在SiH4流量为400sCCm时CrTiAlSiN涂层的硬度达到
最大值。图6为本发明的CrTiAlSiN纳米复合涂层的摩擦系数随SiH4流量变化的曲线图， 从图中可以看出，随着SiH4流量的增加，摩擦系数逐渐增大，起始阶段增速较快，但随SiH4 流量进一步加大而增速放慢，达到稳定的摩擦系数(0. 3)，表明，最大摩擦系数只有0.3， CrTiAlSiN纳米复合涂层是一种摩擦系数较低的超硬涂层。
权利要求
一种CrTiAlSiN纳米复合涂层，其特征在于该复合涂层包括粘结层、支撑层和主耐磨层，支撑层附着在粘结层上面，主耐磨层附着在支撑层上面，粘结层为Cr，支撑层为CrN，主耐磨层是由CrSiN层与TiAlSiN层交替构成的CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂层，或者是由纳米晶CrTiAlN镶嵌于非晶Si3N4的nc-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层。
2.根据权利要求1所述的CrTiAlSiN纳米复合涂层，其特征在于粘结层厚度为50 100纳米，支撑层厚度为100 200纳米，主耐磨层厚度为1. 7 2. 85微米。
3.根据权利要求1所述的CrTiAlSiN纳米复合涂层，其特征在于所述CrSiN/TiAlSiN 纳米多层复合涂层中，每层CrSiN厚度为3 10纳米，每层TiAlSiN厚度为2 5纳米；所 述nc-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层中，CrTiAlN纳米晶的尺寸为5 15纳米。
4.一种沉积有如权利要求1所述CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具，至少包括刀具基体， 其特征在于=CrTiAlSiN纳米复合涂层的粘结层沉积在刀具基体上。
5.根据权利要求4所述沉积有CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具，其特征在于所述刀 具为硬质合金刀具。
6.一种权利要求4所述沉积有CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具的制备方法，其特征 在于包括以下步骤将表面洁净的刀具基体装夹在工件架上进行辉光清洗；辉光清洗结束 后,在Ar气环境、真空度1. 5XlCT2 2. 5X IO-2Pa,300 400°C > -600 -900V偏压条件 下，打开多弧Cr靶在刀具基体上沉积Cr粘结层；然后在氮气环境、真空度1. 5 3. OPa, 300 400°C、-150 -500V偏压条件下，在Cr粘结层上沉积CrN支撑层；在氮气环境下， 通入200 600sccm的SiH4和/或开启磁控溅射柱状Si靶，在真空度3. 0 5. OPa, 300 400°C、偏压-150 -400V条件下，打开TiAl靶，在CrN支撑层上沉积CrTiAlSiN主耐磨层； 沉积结束后，自然冷却，得到沉积有CrTiAiSiN纳米复合涂层的刀具。
7.根据权利要求6所述沉积有CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具的制备方法，其特征在 于粘结层厚度为50 100纳米，支撑层厚度为100 200纳米，主耐磨层厚度为1. 7 2. 85微米。
8.根据权利要求6所述沉积有CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具的制备方法，其特征在 于所述刀具为硬质合金刀具。
9.根据权利要求6所述沉积有CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具的制备方法，其特征在 于工件架的公转速度为2 7转/分时，主耐磨层为CrSiN层与TiAlSiN层交替构成的 CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂层，工件架的公转速度为8 13转/分时，主耐磨层为纳米 晶CrTiAlN镶嵌于非晶Si3N4的nc-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层。
10.根据权利要求9所述沉积有CrTiAlSiN纳米复合涂层的刀具的制备方法，其特 征在于所述CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂层中，每层CrSiN厚度为3 10纳米，每层 TiAlSiN厚度为2 5纳米；所述nc-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层中，CrTiAlN纳米晶 的尺寸为5 15纳米。
全文摘要
本发明公开了一种CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法。该复合涂层包括粘结层、支撑层和主耐磨层，粘结层为Cr，支撑层为CrN，主耐磨层是由CrSiN层与TiAlSiN层交替构成的CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂层，或由纳米晶CrTiAlN镶嵌于非晶Si3N4的nc-CrTiAlN/a-Si3N4纳米晶复合涂层。将上述粘结层沉积在刀具基体上，再沉积支撑层和主耐磨层，即得到沉积有该涂层的刀具。本发明所得CrTiAlSiN纳米复合涂层具有硬度高、摩擦系数低、附着力强的优点，沉积有该涂层的刀具具有高的表面硬度、较强的膜-基附着力、良好的耐磨性能和耐高温性能。
文档编号C23C14/16GK101879794SQ20101019220
公开日2010年11月10日 申请日期2010年5月31日 优先权日2010年5月31日
发明者付德君, 杨兵, 杨慧娟, 田灿鑫 申请人:武汉嘉树科技有限公司