专利名称：硼化钛/氮化硅纳米多层涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种切削工具技术领域的涂层及其制备方法，特别是一种TiB2/ Si3N4纳米多层涂层及其制备方法。
背景技术：
由于其机械加工效率高，环境污染少，切削速度> 100m/min的高速切削及无冷却 液的干式切削方式正日益成为切削技术发展的主流，这些先进的切削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，还需要涂层具有低的摩擦系数，以及较高 的抗氧化能力。现有的刀具涂层尚未全面满足这些要求。如目前工业上广泛应用的TiAlN 涂层，虽然涂层的抗氧化温度可达800°C，但作为高速铣削刀具和螺纹刀具的涂层使用时， 其摩擦系数偏高。另外，TiAlN涂层约35GPa的硬度也有进一步提高的必要。硼化钛(TiB2) 是一种具有高硬度和高稳定性的化合物，其硬度为35GPa，不但高于各种过渡金属氮化物的 硬度，而且TiB2的摩擦系数也低于多数过渡金属氮化物，更宜用于需优异减磨性能的高速 铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。但是，TiB2涂层的抗氧化温度不超过750°C，仍不能满足 高速切削和干式切削对涂层提出的要求。因而目前生产上急需一种高硬度、低摩擦系数并 兼具高抗氧化温度的涂层，以满足高速铣削刀具和螺纹刀具在干式切削工况下的要求。对现有技术进行的检索发现为了提高刀具涂层的抗氧化性，已有的专利技术(如美国专利US6565957， US6638571，US5766782和中国专利95108982. X等)采用在TiN等涂层的表面或中间增加 一层或多层0. 1 8 μ m厚度的Al2O3层，使之与氮化物层形成多层结构的涂层。尽管致密 的Al2O3层能显著提高涂层的抗氧化性，但由于Al2O3的硬度远低于氮化物，这种氮化物和 Al2O3组成的多层涂层的硬度会明显降低，从而影响到刀具涂层切削功能的有效发挥。美国专利US6333099B1也提供了一种具有优良抗氧化性能的MeN/Al203纳米多层 涂层，该涂层中的过渡族金属氮化物可以是Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W、Al等元素或者 它们混合物的氮化物，写作MeN。该纳米多层涂层由两种层厚分别为0. 1 30nm的MeN层 和Al2O3层交替沉积而形成成分周期变化的多层结构。涂层总厚度为0.5 20 μ m。这种涂 层的硬度不低于其组成物MeN和Al2O3单层涂层的硬度。虽然该技术提出的这种MeNAl2O3 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，但并未涉 及具体技术措施和手段。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种TiB2/Si3N4纳米多层 涂层及其制备方法。本发明具有高硬度和高抗氧化性能，不但提高了现有TiB2涂层的硬度， 保持了 TiB2涂层的低摩擦系数，并使涂层的抗氧化性得到显著提高。本发明可作为高速铣 削和螺纹刀具的表面涂层材料。本发明是通过以下技术方案实现的
本发明的涉及TiB2/Si3N4纳米多层涂层是由TiB2和Si3N4两种材料交替沉积形 成纳米量级的多层结构，在多层结构中的每一个双层结构，Si3N4层的厚度为0. 2 0. 8nm, TiB2层的厚度为2 8nm，纳米多层涂层的总厚度为1 4 μ m。所述的Si3N4层为气相沉积非晶结构；所述的TiB2层模板效应下被强制晶化的六方晶体结构；在所述的TiB2及其(0001)晶体面上形成共格外延生长的超晶格柱状晶。从而使本发明的TiB2/Si3N4纳米多层涂层能够获得40GPa以上的硬度，并同时具 有高达800°C的高温抗氧化性能。本发明还涉及TiB2/Si3N4纳米多层涂层的制备方法，包括步骤如下①首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理；②然后采用双靶射频磁控溅射方法在金属或陶瓷的基体上交替沉积TiB2层和 Si3N4层，制取TiB2/Si3N4纳米多层涂层；③纳米多层涂层中的TiB2和Si3N4都采用射频电源控制的阴极在Ar气中分别溅 射TiB2和Si3N4化合物靶材的所述的双靶射频溅射方法获得。直至达到足够厚度(1 4μ m)的TiB2/Si3N4纳米多层涂层。所述的双靶射频溅射，是通过基体在TiB2和Si3N4靶前交替停留获得具有成分调 制结构的纳米多层涂层，每一层的厚度由溅射靶的功率及基体在靶前的停留时间控制。本发明TiB2/Si3N4纳米多层涂层获得的硬度高于37GPa，最高硬度达45GPa，明显 高于其组成物。TiB2/Si3N4纳米多层涂层的高硬度在于此纳米多层涂层中的Si3N4层形成了 晶体态，并且TiB2层和Si3N4层具有共格外延生长的结构特征；TiB2/Si3N4纳米多层涂层中 的Si3N4层具有优异的抗氧化性，由于Si3N4层的加入使得TiB2/Si3N4纳米多层涂层的高温 抗氧化能力得以提高达到800°C。本发明因此具有明显的技术进步，本发明将具有高硬度的晶体态TiB2和具有优良 高温抗氧化性能的非晶态Si3N4陶瓷组成纳米多层涂层，通过结构优化设计，获得高硬度的 优异力学性能，同时发挥了 TiB2的低摩擦系数和Si3N4的高温抗氧化性的特性，这种TiB2/ Si3N4纳米多层涂层在高速切削刀具，尤其是铣削刀具和螺纹刀具上具有很大的应用价值。
图1本发明TiB2/Si3N4纳米多层涂层结构示意图。图中Si3N4层 1、TiB2 层 2、基体 3。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的系统进一步描述本实施例在以本发明技术方案为前提 下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述 的实施例。如图1所示，以下实施例的实施范围和条件如下第一，TiB2/Si3N4纳米多层涂层由Si3N4层1和TiB2层2交替沉积在金属或陶瓷的 基体3上组成，Si3N4层1的厚度在多项实例中采用范围在0. 3 0. 8nm, TiB2层2的厚度 在多项实例中采用范围在为2 8nm，纳米多层涂层的总厚度在多项实例中采用范围控制在为1 4μ m0第二，在多项实例中所采用的制备方法，以如下条件实施①将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷的基体上采用 双靶射频溅射方法交替沉积TiB2层2和Si3N4层1，制取TiB2/Si3N4纳米多层涂层，②所述的双靶射频溅射，其TiB2靶和Si3N4靶分别由独立的射频阴极控制。③真空室内背底真空彡ICT3Pa后，向其中通入Ar气体，Ar的气压为0. 3 1. 5Pa。④转动基片架，使基片分别于TiB2靶和Si3N4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TiB2层2和Si3N4层1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。实施例1本实施例TiB2/Si3N4纳米多层涂层的制备方法的具体工艺参数为=TiB2和Si3N4 靶均采用075mmX5mm的圆片形靶，各靶由独立的射频阴极分别控制，真空室内背底真空 (IO-3Pa.真空室中的Ar气压强为0. 3Pa,TiB2靶溅射功率为100W，沉积时间为6秒，Si3N4 靶溅射功率为30W，沉积时间为2秒，基体温度< 400°C。由此得到的TiB2/Si3N4纳米多层 涂层中TiB2层2的厚度为2. Onm, Si3N4层1厚为0. 3nm，涂层的硬度为37GPa。实施例2本实施例TiB2/Si3N4纳米多层涂层的制备方法的具体工艺参数为=TiB2和Si3N4 靶均采用075mmX5mm的圆片形靶，各靶由独立的射频阴极分别控制，真空室内背底真空 (10_3Pa，真空室中的Ar气压强为0. 5Pa, TiB2靶溅射功率为100W，沉积时间为6秒，Si3N4 靶溅射功率为50W，沉积时间为2秒，基体温度< 400°C。由此得到的TiB2/Si3N4纳米多层 涂层中TiB2层2的厚度为3. Onm, Si3N4层1厚为0. 5nm，涂层的硬度为42GPa。实施例3本实施例TiB2/Si3N4纳米多层涂层的制备方法的具体工艺参数为=TiB2和Si3N4 靶均采用075mmX5mm的圆片形靶，各靶由独立的射频阴极分别控制，真空室内背底真空 (10_3Pa，真空室中的Ar气压强为0. 7Pa，TiB2靶溅射功率为100W，沉积时间为12秒，Si3N4 靶溅射功率为50W，沉积时间为2秒，基体温度< 400°C。由此得到的TiB2/Si3N4纳米多层 涂层中TiB2层2的厚度为4. Onm, Si3N4层1厚为0. 5nm，涂层的硬度为45GPa。实施例4本实施例TiB2/Si3N4纳米多层涂层的制备方法的具体工艺参数为=TiB2和Si3N4 靶均采用075mmX5mm的圆片形靶，各靶由独立的射频阴极分别控制，真空室内背底真空 (10_3Pa，真空室中的Ar气压强为1. OPa，TiB2靶溅射功率为150W，沉积时间为16秒，Si3N4 靶溅射功率为50W，沉积时间为2秒，基体温度< 400°C。由此得到的TiB2/Si3N4纳米多层 涂层中TiB2层2的厚度为8. Onm, Si3N4层1厚为0. 5nm，涂层的硬度为40GPa。实施例5本实施例TiB2/Si3N4纳米多层涂层的制备方法的具体工艺参数为=TiB2和Si3N4 靶均采用075mmX5mm的圆片形靶，各靶由独立的射频阴极分别控制，真空室内背底真空 彡10_3Pa，真空室中的Ar气压强为1. 5Pa，TiB2靶溅射功率为150W，沉积时间为16秒，Si3N4 靶溅射功率为80W，沉积时间为3秒，基体温度< 400°C。由此得到的TiB2/Si3N4纳米多层 涂层中TiB2层2的厚度为6. Onm, Si3N4层1厚为0. 8nm，涂层的硬度为38GPa。
权利要求
一种TiB2/Si3N4纳米多层涂层，其特征在于，由TiB2和Si3N4两种材料交替沉积形成纳米量级的多层结构，在多层结构中的每一个双层结构，Si3N4层的厚度为0.2～0.8nm，TiB2层的厚度为2～8nm，纳米多层涂层的总厚度为1～4μm。
2.根据权利要求1所述的TiB2/Si3N4纳米多层涂层，其特征是，所述的Si3N4层为气相 沉积非晶结构。
3.根据权利要求1所述的TiB2/Si3N4纳米多层涂层，其特征是，所述的TiB2层模板效 应下被强制晶化的六方晶体结构。
4.根据权利要求1所述的TiB2/Si3N4纳米多层涂层，其特征是，在所述的TiB2及其 (0001)晶体面上形成共格外延生长的超晶格柱状晶。
5.一种TiB2/Si3N4纳米多层涂层的制备方法，其特征在于，包括步骤如下①首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理；②然后采用双靶射频磁控溅射方法在金属或陶瓷的基体上交替沉积TiB2层和Si3N4 层，制取TiB2/Si3N4纳米多层涂层；③纳米多层涂层中的TiB2和Si3N4都采用射频电源控制的阴极在Ar气中分别溅射 TiB2和Si3N4化合物靶材的双靶射频溅射方法，直至TiB2/Si3N4纳米多层涂层达到厚度1 4 μ m0
6.根据权利要求5所述的TiB2/Si3N4纳米多层涂层的制备方法，其特征是，所述的双靶 射频溅射，是通过基体在TiB2和Si3N4靶前交替停留获得具有成分调制结构的纳米多层涂 层，每一层的厚度由溅射靶的功率及基体在靶前的停留时间控制。
7.根据权利要求5或者6所述的TiB2/Si3N4纳米多层涂层的制备方法，其特征是，所述 的双靶射频溅射，真空室内背底真空彡10_3Pa后，向其中通入Ar气体，Ar的气压为0. 3 1. 5Pa，基体温度< 400 0C ο
8.根据权利要求6所述的TiB2/Si3N4纳米多层涂层的制备方法，其特征是，所述的双靶 射频溅射，TiB2靶溅射功率为100-150W，沉积时间为6-16秒。
9.根据权利要求6所述的TiB2/Si3N4纳米多层涂层的制备方法，其特征是，所述的双靶 射频溅射，Si3N4靶溅射功率为30-80W，沉积时间为2-3秒。
全文摘要
一种切削工具技术领域的硼化钛/氮化硅纳米多层涂层及其制备方法，纳米多层涂层由TiB2和Si3N4两种材料交替沉积形成纳米量级的多层结构，在多层结构中的每一个双层结构，TiB2层的厚度为2～8nm，Si3N4层厚为0.2～0.8nm。制备方法如下首先将金属或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，然后通过在金属或陶瓷的基体上采用在Ar气氛中双靶射频溅射方法交替沉积TiB2层和Si3N4层，制取TiB2/Si3N4纳米多层涂层，其中TiB2采用TiB2靶直接溅射得到，而Si3N4采用直接溅射Si3N4化合物靶材提供。本发明所得的TiB2/Si3N4纳米多层涂层不但具有优良的高温抗氧化性，而且具有高于37GPa，最高达到45GPa的硬度。本发明作为高速切削刀具尤其是高速切削的铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。
文档编号C23C14/34GK101886242SQ20101023772
公开日2010年11月17日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者张晶晶, 李戈扬, 李玉阁, 祝新发, 许辉 申请人:上海工具厂有限公司;上海交通大学