专利名称：具有硬质涂层的被覆件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有硬质涂层的被覆件及该被覆件的制备方法。
背景技术：
镀膜工艺在工业领域有着广泛的应用，其中，TiN薄膜镀覆在刀具或模具表面能大幅提高刀具和模具的使用寿命。然而，随着金属切削加工朝高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性方面发展，对表面涂层的性能提出了更高的要求。TiN涂层在硬度、耐磨损、抗氧化烧蚀性等方面已经渐渐不能满足进一步的需求。在的基础上加入Cr、Al等金属元素可以进一步提高TiN涂层的硬度和抗氧化性， 其中TiAlN涂层的硬度和高温抗氧化能力均较TiN涂层有很大提高，成为目前最常用的刀具涂层材料。但是，普通的TiAlN涂层HV硬度为30士5GPa，抗氧化温度为800°C，已经不能很好的满足不锈钢等难加工材料的高速切削。提高TiAlN涂层中Al的含量可以提高涂层的硬度和抗氧化性能，但是过高的Al含量会导致涂层的力学性能急剧下降。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有较高硬度、耐磨损的涂层的被覆件。另外，还有必要提供一种上述被覆件的制备方法。一种具有硬质涂层的被覆件，包括基体及形成于该基体上的结合层，该被覆件还包括形成于该结合层上的一复合层，该复合层包括多层氮化铝层和多层AIOxNy层，其中 AIOxNy层中0< XS 1，0 < YS 1，所述多层氮化铝层和多层AIOxNy层交替排布。—种具有硬质涂层的被覆件的制备方法，包括以下步骤提供一待镀覆的基体；将待镀覆的基体放入一磁控溅射设备的转架上，在该磁控溅射设备内设置铝靶；在基体上溅射一结合层；在结合层上交替溅射多层氮化铝层和多层AIOxNy层，以形成一复合层，其中AIOxNy 层中0 1，0 < YS 1，该多层氮化铝层和该多层AIOxNy层交替排布。上述被覆件包括由氮化铝层和AIOxNy层交替排布而形成多层硬质薄膜的复合层， 每一氮化铝层和AIOxNy层的厚度都是纳米级别(即几个至几十个原子厚度)。由于氮化铝层和AIOxNy层的晶格参数等不相同，因此在氮化铝层和AIOxNy层界面上存在着原子的错配， 而原子错配是位错滑移的巨大障碍，会导致物质硬化(即超晶格硬化效应)，从而使得复合层整体具有较高的硬度。
图1为本发明较佳实施例的被覆件的剖视示意图；图2为用以制作图1中被覆件的镀膜机的俯视示意图。主要元件符号说明
磁控溅射设备100
被覆件10
基体12
5口口 te14
复合层16
AlN层162
AIOxNY 层164
真空镀膜室20
轨迹21
铝靶2具体实施例方式请参阅图1，本发明较佳实施例具有硬质涂层的被覆件10包括基体12、形成于基体12上的结合层14及形成于结合层14上的复合层16。该基体12的材质可以为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、不锈钢、镁合金及铝合金等。该结合层14为一铝金属层，其厚度为0.05 0.2 μ m，优选为0. 1 μ m。该结合层 14用于提高复合层16与基体12之间的结合力。该复合层16包括多层氮化铝(AlN)层162和多层氮氧化铝(AIOxNy)层164，其中 AIOxNy层164中0<X<1，0<Y< 1，所述多层AlN层162和多层AIOxNy层164交替排布。每一 AlN层162和与其相邻的每一 AIOxNy层164的厚度总和大约为5 lOnm，该复合层16的总厚度大约为2 5微米。其中，AlN层162与结合层14直接结合。该被覆件10可以为各类切削刀具、精密量具、模具、电子产品外壳及各种建筑装饰件等。上述被覆件10的制备方法，主要包括如下步骤对基体12进行清洗。该步骤可将基体12放入盛装有乙醇或丙酮溶液的超声波清洗器中进行震动清洗，以除去基体12表面的杂质和油污等，清洗完毕后烘干备用。请一并参阅图2，将经上述清洗的基体12放入一磁控溅射设备100的真空镀膜室 20中并使其沿轨迹21转动，在该磁控溅射设备100安装铝靶22。溅射清洗铝靶22。该溅射清洗的具体操作及工艺参数为对磁控溅射设备100的真空镀膜室20抽真空至本底真空度为3. OX 10_3Pa，通入氩气为离子源气体，用挡板(图未示)将基体12与靶材隔开，防止基体12被溅镀。开启铝靶22电源，调节基体12上的偏压至-100 -200V，溅射清洗铝靶22的时间为5 20分钟。该步骤是利用离子源轰击靶材， 使铝靶22表层原子溅射出来，以除去铝靶22表层可能存在的氧化物等杂质。清洗靶材的同时应避免溅射出来的靶材原子沉积到基体12上，因此用挡板将基体12与靶材隔开。清洗结束后，关闭铝靶22。在基体12上溅射该结合层14。调节氩气流量为200 300sCCm(标准状态毫升/ 分钟)，调节基体12上的偏压至-150 -500V ；开启铝靶22，电流为40 70A，对基体12 预溅射2分钟左右，以形成结合层14。该结合层14为铝金属层。
在结合层14上交替溅射多层AlN层162和多层AIOxNy层164，以形成该复合层 16。开启铝靶22的电源，向真空镀膜室20通入氮气以在结合层14上沉积AlN层162， 氮气的流量为20 lOOsccm，调节氩气的流量为200 300sCCm，调节基体12的偏压至-150 -500V，铝靶22的电流为40 70A。每隔2分钟向真空镀膜室20通入氧气，以在上述AlN层162上沉积AIOxNy层164，调节氧气的流量为20 lOOsccm，通入氧气的时间为2分钟。设置所述转架的转速为1 3rpm(revolution per minute，转/分钟)，进而控制基体12交替形成AlN层162和多层AIOxNy层164的厚度，从而在基体12上交替沉积AlN 层162和AIOxNy层164，总的镀膜时间约为30分钟 2小时。下面通过实施例来对本发明进行具体说明。实施例1本实施例所使用的基体12的材质为316不锈钢。溅射清洗铝靶22 氩气流量为300sCCm，基体12的偏压为-100V，清洗时间为 5min。溅镀结合层14 氩气流量为200sCCm，基体12的偏压为-150V，铝靶22的电流为 40A，镀膜时间为anin。溅镀AlN层162 氩气流量为200sccm，氮气流量为40sccm，基体12的偏压为-150V，铝靶22的电流为45A。溅镀AIOxNy层164 氩气流量为200sccm，氮气流量为40sccm，氧气流量为40sccm。 最终获得的AIOxNy层164中X的值为0. 88，Y的值为0. 92。设置转架的转速为3rmp，总的溅镀复合层16的时间为60分钟。实施例2本实施例所使用的基体12的材质为高速钢。溅射清洗铝靶22 氩气流量为300sCCm，基体12的偏压为-100V，清洗时间为 5min。溅镀结合层14 氩气流量为300SCCm，基体12的偏压为-400V，铝靶22的电流为 65A，镀膜时间为anin。溅镀AlN层162 氩气流量为300sccm，氮气流量为90sc cm，基体12的偏压为-400V，铝靶22的电流为60A。溅镀AIOxNy层164 氩气流量为300sCCm，氮气流量为90s ccm,氧气流量为 90sccm。最终获得的AIOxNy层164中X的值为0. 95，Y的值为0. 92。设置转架的转速为3rmp，总的溅镀复合层16的时间为120分钟。实施例3本实施例所使用的基体12的材质为硬质合金。溅射清洗铝靶22 氩气流量为300sCCm，基体12的偏压为-100V，清洗时间为 5min。溅镀结合层14 氩气流量为MOsccm，基体12的偏压为-200V，铝靶22的电流为 ^A，镀膜时间为;3min。溅镀AlN层162 氩气流量为MOsccm，氮气流量为5kccm，基体12的偏压为-250V，铝靶22的电流为45A。
溅镀AIOxNy层164 氩气流量为MOsccm，氮气流量为55sccm，氧气流量为60sccm。 最终获得的AIOxNy层164中X的值为0. 89，Y的值为0. 92。设置转架的转速为3rmp，总的溅镀复合层16的时间为90分钟。将上述制得的被覆件10进行高温抗氧化测试和耐磨性测试，具体测试方法及结果如下(1)高温抗氧化测试测试仪器为管式热处理炉，测试条件为升温速率为10°C /min，热处理温度为 810°C，保温时间为0. 5h。测试结果显示，由本发明实施例1、2、3所制备的被覆件10经810°C热处理0.证后均未见氧化、脱落等不良。(2)耐磨性测试线性耐磨耗测试仪，测试条件为载荷为1kg，行程长度为1. 5inch,磨耗速率为25 次 /min。测试结果显示，由本发明实施例1、2、3所制备的被覆件10经磨耗130次均未见脱落。本发明的被覆件10包括由AlN层162和AIOxNy层164交替排布而形成多层硬质薄膜的复合层16，每一 AlN层162和AIOxNy层164的厚度都是纳米级别(即几个至几十个原子厚度)。由于AlN层162和A10XNY164层的晶格参数等不相同，因此在AlN层和AIOxNy 层界面上存在着原子的错配，而原子错配是位错滑移的巨大障碍，会导致物质硬化(即超晶格硬化效应)，从而使得复合层16整体具有较高的硬度。可以理解，上述被覆件10的制备方法还可包括溅射该结合层14前，在所述磁控溅射设备内对基体12进行离子清洗。
权利要求
1.一种具有硬质涂层的被覆件，包括基体及形成于该基体上的结合层，其特征在于 该被覆件还包括形成于该结合层上的一复合层，该复合层包括多层氮化铝层和多层AIOxNY 层，其中AIOxNy层中0 < X < 1，0 < Y < 1，所述多层氮化铝层和多层AIOxNy层交替排布。
2.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于其中一氮化铝层与该结合层直接结合。
3.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于所述每一氮化铝层和与其相邻的每一 AIOxNy层的总厚度为5 10纳米。
4.如权利要求3所述的被覆件，其特征在于该复合层的总厚度为2 5微米。
5.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于该结合层为一铝金属层。
6.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于该基体为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、不锈钢、镁合金及铝合金中的一种。
7.一种具有硬质涂层的被覆件的制备方法，包括以下步骤提供一待镀覆的基体；将待镀覆的基体放入一磁控溅射设备的转架上，在该磁控溅射设备内安装铝靶；在基体上溅射一结合层；在结合层上交替溅射多层氮化铝层和多层AIOxNy层，以形成一复合层，其中AIOxNy层中 0<X^ 1,0<Y^ 1，该多层氮化铝层和该多层AIOxNy层交替排布。
8.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于溅射所述复合层的步骤为 开启铝靶的电源，向真空镀膜室通入氮气以在结合层上沉积氮化铝层，氮气的流量为20 lOOsccm，调节氩气的流量为200 300sccm，调节基体的偏压至-150 -500V，铝靶的电流为40 70A ；每隔2分钟向真空镀膜室通入氧气以在上述氮化铝层上沉积AIOxNy层，调节氧气的流量为20 lOOsccm，通入氧气的时间为2分钟；设置所述转架的转速为1 3rpm， 溅射所述复合层总的时间为30分钟 2小时。
9.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于其中一氮化铝层与该结合层直接结合。
10.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于该结合层为一铝金属层。
全文摘要
一种具有硬质涂层的被覆件，包括基体及形成于该基体上的结合层，该被覆件还包括形成于该结合层上的一复合层，该复合层包括多层氮化铝层和多层AlOXNY层，其中AlOXNY层中0＜X≤1，0＜Y≤1，所述多层氮化铝层和多层AlOXNY层交替排布。本发明还提供一种上述被覆件的制备方法。本发明的被覆件上的涂层硬度高，具有较好的耐磨性能。
文档编号C23C14/06GK102534488SQ201010614890
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者张新倍, 彭立全, 蒋焕梧, 陈文荣, 陈正士 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司