一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种切削刀具表面抗氧化复合硬质涂层的制备方法，包括工件加热、工件等离子体清洗、过渡层制备、涂层制备、冷却步骤，以坩埚内的Ti铸锭作为TiN过渡层的Ti源，通过热阴极离子镀中的柱弧电源电流控制Ti铸锭的蒸发速度；以平面TiAlLa靶作为（TiAlLa）N涂层对应元素的来源，通过调节中频脉冲电源的功率控制靶材的溅射率；采用高纯Ar作为离化气体。采用N2作为反应气体。该方法制备的（TAlLa）N涂层厚度约为2微米，纳米硬度40Gpa以上，抗氧化温度可以达到900℃以上，压痕实验等级为HF1(德国标准VDI3198)，与TiAlN涂层相比，具有更好的抗氧化性和机械性能，使用寿命更长。
【专利说明】一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种切削刀具表面抗氧化涂层材料的制备方法，尤其涉及一种切削刀具表面抗氧化复合硬质涂层材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]随着加工技术的发展，刀具加工技术也在不断进步。刀具涂层可有效地提高刀具表面的硬度、耐磨性和抗氧化性，从而在一定程度上提高了刀具的使用寿命，同时可以让刀具应对更加苛刻的切削条件。最早应用的刀具涂层是TiN涂层，其耐磨性和抗氧化性较刀具基体有较大提高。后来在TiN的基础上又不断发展了 TiAIN、TiAlCrN和TiAlSiN等涂层，这些涂层在硬度和耐磨性上有一定的提高，但抗氧化性还是难以满足日益提高的切削条件。
【发明内容】
[0003]基于传统硬质涂层性能的抗氧化性不足的问题，本发明提供了一种加入了稀土 La元素的抗氧化性复合硬质涂层TiN/(TiAlLa) N的制备方法。通过热阴极离子镀先在工件表面制备一层TiN过渡层使涂层整体具有更优的综合力学性能；使用TiAlLa复合合金靶材更有利于控制工艺的稳定性。
[0004]一种抗氧化复 合硬质涂层的制备方法，包括工件加热、工件等离子体清洗、过渡层制备、涂层制备步骤，
[0005]I)所述过渡层制备以坩埚内的Ti铸锭作为TiN过渡层的Ti源，通过热阴极离子镀中的柱弧电源电流控制Ti铸锭的蒸发速度；
[0006]2)所述涂层制备以平面TiAlLa靶作为(TiAlLa) N涂层对应元素的来源，通过调节中频脉冲电源的功率控制靶材的溅射率；
[0007]3)采用高纯Ar作为离化气体。保证有效的辉光放电过程。
[0008]4)采用N2作为反应气体，使其离化并与T1、Al、La元素结合，在基体表面沉积形成(TiAlLa) N 涂层。
[0009]复合涂层较单一涂层有较低的摩擦系数和磨损率，因此TiN/(TiAlLa)N复合涂层倉泛
[0010]更好解决涂层抗氧化性不足的缺点。
[0011]所述的制备方法先将基体预处理后放入热阴极离子镀和中频磁控溅射复合镀膜设备中的夹具上，该夹具随转架台转动，同时自转。以保证镀膜过程的均匀性。
[0012]在所述工件加热步骤，工件装入镀膜室后，先对镀膜室抽真空至5.0X 10_3Pa，然后通入Ar，控制镀膜室内总压强为3.0X 10—1~4.SXlO-1Pa,开启热阴极，柱弧电流为140~180A，对工件加热40~150min。
[0013]在工件等离子体清洗步骤，调节Ar流量，使镀膜室内气压保持在1.5X IO-1~
2.0X KT1Pa,柱弧电流为110~160A，工件直流偏压-100~200V，脉冲偏压-400~-800V，用7.0~10.0Kff的等离子体对工件表面轰击清洗，持续时间15~50min ；
[0014]在过渡层制备步骤，工件清洗完成后，调节Ar流量，并向镀膜室中通入N2, Ar/N2保持在1/1.5~1/3，镀膜室内压强为3.0X10—1~4.5X KT1Pa,柱弧电流为180~220A，工件直流偏压-100~200V，脉冲偏压-400~-800V，用功率11.0~14.0Kff的热阴极离子在工件表面镀制一层TiN过渡层，镀制时间5~20min。
[0015]在涂层制备步骤，将直流偏压调整为-40~-70V，按Ar/N2为1/1.5~1/3向镀膜室内通入Ar和N2混合气体，调节镀膜室内压强为3.0X KT1~4.5X KT1Pa,柱弧电流保持在100~110A，打开TiAlLa靶的控制电源，靶电源电流保持在4.0~7.0A，用功率3.0~
5.0KW的中频磁控溅射在TiN过渡层上进行(TiAlLa) N涂层制备，镀制时间120~240min。
[0016]所述的预处理包括表面除油，喷砂处理后浸入酒精中超声波清洗和烘干。
[0017]所述的TiAlLa靶为TiXAlYLai_x_Y复合合金靶材，其钛铝镧原子比为60~70: 20 ~40:1 ~5，纯度为 99.99%。
[0018]所述(TiAlLa)N涂层制备后冷却60~150min。
[0019]所述的平面TiAlLa靶共四块，并以两两相对的方式安置在镀膜室的内壁上。
[0020]经测定，本发明方法制备的TiN/(TiAlLa) N复合硬质涂层，厚度为2微米。
[0021]采用纳米硬度仪(MTSSystems Corp., Oak Ridge, TN,USA)测试,纳米硬度 40Gpa以上。经对比实验，TiN/TiAlLaN涂层较TiAlN涂层有更高的硬度和弹性模量，具有更好的耐磨性，使用寿命更长。`
[0022]采用Rockwell压痕法(HR-150A洛氏硬度仪)测试，TiN/TiAlLaN涂层压痕实验等级为HF1，具有机械性能。经对比实验，TiN/TiAlLaN涂层比TiAlN涂层(压痕等级为HF3)组织更细密，纯度更高，表面平整。结合力更好，不易剥落，厚度的一致性和均匀性更好。特别适合于在高速干式切削刀具上应用。
[0023]将所制备的TiN/(TiAlLa)N复合硬质涂层在空气中加热到900°C，保温2小时，冷却到室温后，采用XRD珩射仪(PW-1700型，Philips)经XRD检测其氧化物含量远远低于普通TiAlN涂层，表明涂层具有优良的抗氧化性能。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为TiAlN涂层的断口示意图。
[0025]图2为TiN/(TiAlLa) N复合硬质涂层的断口示意图。
[0026]图3为TiAlN涂层的结合力示意图。
[0027]图4为TiN/(TiAlLa)N复合硬质涂层的结合力示意图。
[0028]图5为TiN/(TiAlLa) N复合硬质涂层和普通TiAlN在空气中加热到900°C并保温2小时后的XRD图谱。
【具体实施方式】
[0029]下面结合实施例的【具体实施方式】再对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的保护范围内。[0030]实施例1
[0031]用常规方法对硬质合金铣刀进行除油、喷砂处理和超声波清洗后放入镀膜室内，然后对镀膜室抽真空至5.0X10_3pa，通入氩气，使真空室内总压强为4.0X KT1Pa,并控制柱弧电流为150A对待镀制刀具加热150min ;在压强LSXKT1Pa的氩气保护下，控制刀具的直流偏压为-200V，脉冲偏压-600V，控制柱弧电流为120A，用7.0KW的等离子体对刀具进行等清洗，持续30min ;通入Ar/N2=l/2的Ar和N2的混合气体，保持压强为3.0 X KT1Pa,用柱弧加热Ti铸锭，柱弧电流为180A，功率为11.0KW，在直流偏压-200V，脉冲偏压-400V下镀制IOmin ;保持Ar/N2=i/2和3.0X KT1Pa的压强，用中频磁控溅射溅射Ti: Al: La=69: 30: I的复合合金靶材，溅射电流为5.0A，功率为3.0KW，在直流偏压-50V下镀制150min ;自然冷却90min，取出刀具。
[0032]该硬质合金铣刀上涂覆TiN/(TiAlLa)N复合硬质涂层后，采用纳米硬度仪(MTSSystems Corp.，Oak Ridge, TN, USA)测得硬度为 41 ~44Gpa，涂层厚度为 2 微米，TiN过渡层厚度200纳米，采用Rockwell压痕法(HR-150A洛氏硬度仪)测试，压痕等级为HF1。
[0033]将所制备的TiN/(TiAlLa)N复合硬质涂层在空气中加热到900°C，保温2小时，冷却到室温后，采用XRD珩射仪(PW-1700型，Philips)经XRD检测依然保留涂层成分，表明涂层具有优良的抗氧化性。
[0034]实施例2
[0035]用常规方法对硬质合金车 刀进行除油、喷砂处理和超声波清洗后放入镀膜室内，然后对镀膜室抽真空至5.0 X 10_3pa (权利要求是5.0 X 10_3pa)，通入氩气，使真空室内总压强为4.0X lO'a，并控制柱弧电流为160A对待镀制刀具加热80min ;在压强1.5 X KT1Pa的氩气保护下，控制刀具的直流偏压为-200V，脉冲偏压-500V，控制柱弧电流为130A，用
8.0Kff的等离子体对刀具进行等清洗,持续30min ;通入Ar/N2=l/3的Ar和N2的混合气体，保持压强为3.5 X KT1Pa,用柱弧加热Ti铸锭，柱弧电流为200A，功率为12.0KW，在直流偏压-200V，脉冲偏压-500V下镀制IOmin ;保持Ar/N2=l/3和3.5 X KT1pa的压强，用中频磁控溅射溅射Ti: Al: La=69: 29: 2的复合合金靶材，溅射电流为7.0A，功率为4.0KW，在直流偏压-45V下镀制200min ；自然冷却90min，取出刀具。
[0036]该硬质合金车刀上涂覆TiN/(TiAlLa)N复合硬质涂层后，采用纳米硬度仪(MTSSystems Corp.，Oak Ridge, TN, USA)测得硬度为 43 ~45Gpa，涂层厚度为 2 微米，TiN过渡层厚度200纳米，采用Rockwell压痕法(HR-150A洛氏硬度仪)测试，压痕等级为HF1。
[0037]将所制备的TiN/(TiAlLa)N复合硬质涂层在空气中加热到900°C，保温2小时，冷却到室温后，采用XRD珩射仪(PW-1700型，Philips)经XRD检测依然保留涂层成分，表明涂层具有优良的抗氧化性。
[0038]实施例3
[0039]用常规方法对高速钢丝锥进行除油、喷砂处理和超声波清洗后放入镀膜室内，然后对镀膜室抽真空至5.0X 10_3pa，通入氩气，使真空室内总压强为3.0X KT1Pa,并控制柱弧电流为140A对待镀制刀具加热40min ;在压强1.5X10_1pa的氩气保护下，控制刀具的直流偏压为-100V，脉冲偏压-500V，控制柱弧电流为140A，用9.0Kff的等离子体对刀具进行清洗，持续15min ;通入Ar/N2=l/1.5的Ar和N2的混合气体，保持压强为3.0 X KT1Pa,用柱弧加热Ti铸锭，柱弧电流为180A，功率为13.0KW，在直流偏压-100V，脉冲偏压-500V下镀制5min ;保持Ar/N2=l/1.5和3.0X KT1Pa的压强，用中频磁控溅射溅射Ti: Al: La=69: 30: I的复合合金靶材，溅射电流为4.0A，功率为3.5KW，在直流偏压-40V下镀制120min ;自然冷却60min，取出刀具。
[0040]该高速钢丝锥上涂覆TiN/(TiAlLa)N复合硬质涂层后，采用纳米硬度仪(MTSSystems Corp.,Oak Ridge,TN,USA)测得硬度为39~41Gpa，涂层厚度为2微米，TiN过渡层厚度200纳米，采用Rockwell压痕法(HR-150A洛氏硬度仪)测试，压痕等级为HFl。
[0041]将所制备的TiN/(TiAlLa)N复合硬质涂层在空气中加热到900°C，保温2小时，冷却到室温后，采用XRD珩射仪(PWlOO型，Philips)经XRD检测依然保留涂层成分，表明涂层具有优良的抗氧化性。
[0042]实施例4
[0043]用常规方法对硬质合金滚刀进行除油、喷砂处理和超声波清洗后放入镀膜室内，然后对镀膜室抽真空至5.0X 10_3pa，通入氩气，使真空室内总压强为4.5X KT1Pa,并控制柱弧电流为180A对待镀制刀具加热IOOmin ;在压强2.0 X KT1Pa的氩气保护下，控制刀具的直流偏压为-200V，脉冲偏压-800V，控制柱弧电流为160A，用10.0KW的等离子体对刀具进行清洗，持续50min ;通入Ar/N2=l/3的Ar和N2的混合气体，保持压强为
4.5 X KT1Pa,用柱弧加热Ti铸锭，柱弧电流为220A，功率为14.0KW，在直流偏压-200V，脉冲偏压-800V下镀制20min ;保持Ar/N2=l/3和4.5X KT1Pa的压强，用中频磁控溅射溅射Ti: Al: La=67: 28: 5的复合合金靶材，溅射电流为7.0A，功率为5.0KW，在直流偏压-70V下镀制240min ;自然冷却150min，取出刀具。
[0044]该硬质合金滚刀涂覆TiN/(TiAlLa)N复合硬质涂层后，采用纳米硬度仪(MTSSystems Corp.,Oak Ridge,TN,USA)测得硬度为41~43Gpa，涂层厚度为2微米,TiN过渡层厚度200纳米，采用Rockwell压痕法(HR-150A洛氏硬度仪)测试，压痕等级为HFl。
[0045]将所制备的TiN/(TiAlLa)N复合硬质涂层在空气中加热到900°C，保温2小时，冷却到室温后，采用XRD珩射仪(PW-1700型，Philips)经XRD检测依然保留涂层成分，表
[0046]明涂层具有优良的抗氧化性。
[0047]
【权利要求】
1.一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法，包括工件加热、工件等离子体清洗、过渡层制备、涂层制备、冷却步骤，其特征在于: 1)所述过渡层制备以坩埚内的Ti铸锭作为TiN过渡层的Ti源，通过热阴极离子镀中的柱弧电源电流控制Ti铸锭的蒸发速度； 2)所述涂层制备以平面TiAlLa靶作为(Ti，Al，La)N涂层对应元素的来源，通过调节中频脉冲电源的功率控制靶材的溅射率； 3)采用高纯Ar作为离化气体； 4)采用N2作为反应气体，使其离化并与T1、Al和La元素结合，在基体表面沉积形成(TiAlLa) N 涂层。
2.如权利要求1所述的一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法，其特征在于:先将基体预处理后放入热阴极离子镀和中频磁控溅射复合镀膜设备中的夹具上，该夹具随转架台转动，同时自转。
3.如权利要求1或2所述的一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法，其特征在于:在所述工件加热步骤，工件装入镀膜室后，先对镀膜室抽真空至5.0X 10_3Pa，然后通入Ar，控制镀膜室内总压强为3.0X 10—1~4.5 X KT1Pa,开启热阴极，柱弧电流为140~180A，对工件加热40~150min。
4.如权利要求1或2所述的一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法，其特征在于:在工件等离子体清洗步骤，调节Ar流量，使镀膜室内气压保持在1.5 X KT1~2.0 X KT1Pa,柱弧电流为110~160A，工件直流偏压-100~-200V,脉冲偏压-400~-800V，用7.0~10.0Kff的等离子体对工件表面轰击清洗，持续时间15~50min。
5.如权利要求1或2所述的一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法，其特征在于:在过渡层制备步骤，工件清洗完成后，调节Ar流量，并向镀膜室中通入N2, Ar/N2保持在1/1.5~1/3，镀膜室内压强为3.0 X 10—1~4.5 X KT1Pa,柱弧电流为180~220A，工件直流偏压-100~-200V，脉冲偏压-400~-800V，用功率11.0~14.0Kff的热阴极离子在工件表面镀制一层TiN过渡层，镀制时间5~20min。
6.如权利要求1或2所述的一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法，其特征在于:在涂层制备步骤，将直流偏压调整为-40~-70V，按Ar/N2为1/1.5~1/3向镀膜室内通入Ar和N2混合气体，调节镀膜室内压强为3.0X KT1~4.5X KT1Pa,柱弧电流保持在100~110A，打开TiAlLa靶的控制电源，靶电源电流保持在4.0~7.0A，用功率3.0~5.0Kff的中频磁控溅射在TiN过渡层上进行(TiAlLa) N涂层制备，镀制时间120~240min。
7.如权利要求2所述的一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法，其特征在于:所述的预处理包括表面除油，喷砂处理后浸入酒精中超声波清洗和烘干。
8.如权利要求1所述的一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法，其特征在于:所述的TiAlLa靶为TixAlYLai_x_Y复合合金靶材，其钛铝镧原子比为60~70:20~40:1~5，纯度为 99.99%ο
9.如权利要求1所述 的一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法，其特征在于:(TiAlLa)N涂层制备后冷却60~150min。
10.如权利要求1所述的一种抗氧化复合硬质涂层的制备方法，其特征在于:所述的平面TiAlLa靶共四块，并以两两相对的方式安置在镀膜室的内壁上。
【文档编号】C23C14/26GK103774096SQ201310576458
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年11月18日 优先权日:2013年11月18日
【发明者】赵海波, 杜昊, 梁雅庭, 梁红樱 申请人:四川大学