一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层及其制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度工具涂层，属于材料表面镀膜【技术领域】。本发明涂层是由多弧离子镀技术制备的中高温自润滑多元梯度涂层，为三层梯度结构，分别为CrN层、AlCrN层和AlCrTiSiN层，所述AlCrN梯度过渡层厚度为0.84～1.09μm，AlCrTiSiN工作层厚度为1.61～2.36μm；所述AlCrTiSiN工作层中含有50～70％的(Al，Cr)N固溶体以及30～50％的(Al，Ti)N固溶体。本发明涂层在中高温(500℃)时由于自润滑而具备极为优异的摩擦磨损性能，为多弧离子镀制备同类高端产品的开发提供了新方法，并且在高速切削工具上具有很好的应用前景。
【专利说明】—种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料表面镀膜【技术领域】，具体涉及一种高速切削工具表面镀膜强化处理工艺，尤其涉及一种AlCrTiSiN/AlCrN中高温自润滑多元梯度工具涂层，本发明还涉及该多元梯度涂层的制备方法。
【背景技术】
[0002]制造业在我国国民经济发展中具有关键性的作用和地位，强大的制造业是实现工业现代化的重要基础。随着现代化制造业向快速、高效、环保和节能等方面发展，其对切削刀具的要求也越来越高，而涂层技术是提高刀具加工性能和使用寿命的重要方法。
[0003]刀具涂层技术是指在切削刀具表面涂覆上一层硬质薄膜来提高其耐磨性以达到增加其使用寿命，这种硬质涂层不但具有很高的硬度，而且具有抗高温氧化性、抗腐蚀性以及较好的摩擦性能。这些优点使涂层在很大程度上提高了切削刀具的寿命，降低了维修费用，减少了因刀具失效所导致的停车时间。而对于一些贵重刀具，由于可以多次涂层，增加了其重复使用，具有很大的经济效益。
[0004]TiN涂层作为第一代涂层由于具有高硬度、低磨损及良好的化学稳定性被广泛应用于刀具、模具和机器零部件的涂层。但TiN涂层较差的抗氧化性能和较低的热红硬性(500°C时其硬度就开始急剧下降)，限制了其在苛刻条件下的应用。在TiN涂层基础上发展出的TiAlN和TiCrN超硬膜表现出很多优于TiN的性能。与TiN膜层相比，TiAlN膜具有更加优良的抗氧化性、耐磨性和更高的硬度；而TiCrN膜层则具有较低的表面粗糙度、高的热稳定性及耐磨性，因而TiAlN和TiCrN涂层逐渐取代TiN成为第二代涂层。
[0005]自从Veprek成功制备超硬nc-TiN/a_Si3H4涂层以来,多元化合物及其多层复合涂层成为硬质涂层研究的一个热点。在四元化合物的复合涂层或五元化合物涂层方面，CrAlTiN、AlTiSiN和TiSiCN涂层均拥有较低的摩擦因数和优异的热稳定性。
[0006]本专利中在AlCrN基础上，用多弧离子镀方式制备AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度工具涂层。而在现今文献中，研究AlCrTiSiN涂层的文献较为少见，且研究方向集中在该涂层的力学性能和抗高温氧化性能上，关于AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度工具涂层在中高温下的自润滑现象尚未见报道。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层及其制备方法，使得AlCrTiSiN/AlCrN中高温自润滑多元梯度工具涂层在高速切削工具上得以工业化应用。
[0008]为了实现上述技术目的，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
[0009]本发明提供了一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层，该涂层为三层梯度结构，分别为极薄的CrN打底层、AlCrN梯度过渡层和AlCrTiSiN工作层；所述AlCrN梯度过渡层厚度为0.84?1.09 μ m, AlCrTiSiN工作层厚度为1.61?2.36 μ m ;所述AlCrTiSiN工作层中含有50?70%的(Al，Cr)N固溶体以及30?50%的(Al，Ti)N固溶体。
[0010]本发明同时提供了一种上述中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0011](I)在真空室内对称位置分别放置第一电弧源、第二电弧源和第三电弧源，将Ar和队气体接入真空室内；所述第一电弧源的靶材由单质Cr制成，纯度99.99%;第二电弧源的靶材由AlCr粉末冶金制成，Al和Cr的原子百分比为70:30，AlCr靶材的纯度为99.99%；第三电弧源由AlTiSi粉末冶金制成，Al、Ti和Si的原子百分比为60:30:10, AlTiSi靶材的纯度为99.99% ；
[0012](2)、将抛光、清洗处理后的工件用夹具夹持住固定于真空室内的转架上；所述工件转架转速为3rpm，真空室真空度为5.0X 10_2Pa，加热温度为430°C ；
[0013](3)、工件沉积镀膜前往真空室内通入Ar气，加偏压对工件表面进行Ar离子轰击清洗以去除表面残留的吸附物及氧化物，关闭Ar气；
[0014](4)、通入N2气，调节N2气压强与偏压，升高真空室内温度，启动第一电弧源用于沉积CrN打底层；所述沉积CrN打底层时N2气分压为0.8Pa，偏压200V，沉积温度450°C，沉积时间4min ；
[0015](5)、调节N2气压强与偏压，启动第二电弧源，与第一电弧源一起沉积AlCrN梯度过渡层第一层；所述沉积AlCrN梯度过渡层第一层时，N2气分压为1.5Pa，偏压100V，沉积时间 3.3min ；
[0016](6)、调节N2气压强与偏压，关闭第一电弧源，仅余第二电弧源沉积AlCrN梯度过渡层第二层；所述沉积AlCrN梯度过渡层第二层时，N2气分压为3Pa，偏压80V，沉积时间120min ；
[0017](7)、调节N2气压强与偏压，启动第三电弧源，与第二电弧源一起沉积AlCrTiSiN工作层；所述沉积AlCrTiSiN工作层时，N2气分压为2?4Pa，偏压50?120V，沉积时间90min ；
[0018](8)、镀膜过程结束，工件随炉冷却至室温。
[0019]作为一种优化，所述步骤(7)中的N2气分压为3Pa，偏压为80V，此时制备出的多元梯度工具涂层具备更为优异的摩擦磨损性能。
[0020]与现有技术相比，本发明具有以下技术效果:
[0021 ] UCrN层、AlCrN层和AlCrTiSiN层三层呈梯度分布实现了涂层的成分多元化和结构多层化，改善内部应力分布，使得该多元梯度涂层致密均匀，具有高硬度和极好的膜基结合力；
[0022]2、本发明涂层在中高温(500°C )时由于自润滑而具备极为优异的摩擦磨损性能(摩擦系数为0.025?0.107、磨损率为(1.601?2.81) X lO-V/Nm，这低于该膜层在室温25°C下的摩擦系数(0.514?0.535)和磨损率(5.24?7.08X l(T16m3/Nm，也远低于传统AlCrN涂层在500°C时的摩擦系数(0.354?0.376)和磨损率(2.61?5.04X l(T14m3/Nm))；
[0023]3、本发明涂层为多弧离子镀制备同类高端产品的开发提供了新方法，并且在高速切削工具上具有很好的应用前景。【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本发明的真空室的结构示意图；
[0025]其中:1、真空室；2、电弧源；3、夹具；4、转架；a、抽真空；b、脉冲偏压。
[0026]图2是本发明的工艺流程图。
[0027]图3是本发明AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层横断面的透射图片。
[0028]图4是本发明实施例1、2、3制备出的AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层硬度随基体偏压变化的示意图。
[0029]图5是本发明实施例1、4、5制备出的AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层硬度随队分压变化的示意图。
[0030]图6是本发明实施例1、2、3制备出的AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层结合强度随基体偏压变化的示意图。
[0031]图7是本发明实施例1、4、5制备出的AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层结合强度随N2分压变化的示意图。
[0032]图8是本发明实施例1、2、3制备出的AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层在500°C下的摩擦系数曲线随基体偏压变化的示意图。
[0033]图9是本发明实施例1、4、5制备出的AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层在500°C下的摩擦系数曲线随N2分压变化的示意图。
[0034]图10是本发明实施例1、2、3制备出的AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层在500°C下的磨损率随基体偏压变化的示意图。
[0035]图11是本发明实施例1、4、5制备出的AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层在500°C下的磨损率随N2分压变化的示意图。
[0036]图12是本发明AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层与传统AlCrN涂层分别在室温(250C )和500°C下的摩擦系数曲线对比图。
[0037]图13是本发明AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层与传统AlCrN涂层分别在室温(250C )和500°C下的磨损率比较图。
[0038]图14是本发明AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层与传统AlCrN涂层的切削寿命对比图。
具体实施方案
[0039]以下结合附图和实施例详述本发明，但本发明不局限于下述实施例。
[0040]实施例1
[0041]如图1和图2所示，本实施例的一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0042](I)、在真空室I内部对称位置分别放置第一电弧源2、第二电弧源2和第三电弧源2，将Ar和N2气体接入真空室I内。其中，第一电弧源的靶材由单质Cr制成，纯度99.99%；第二电弧源的靶材由AlCr粉末冶金制成，Al和Cr的原子百分比为70:30，AlCr靶材的纯度为99.99%;第三电弧源由AlTiSi粉末冶金制成，Al、Ti和Si的原子百分比为60:30:10,AlTiSi革巴材的纯度为99.99% ；
[0043](2)、选取单晶硅片作为工件，工件尺寸为20mmX IOmmX0.54mm，将抛光处理后的工件依次用丙酮和酒精超声波清洗各15min，烘干后用夹具3夹持住固定于真空室I内的转架4上，对真空室I抽真空，使真空度达到5.0 X W2Pa,温度加热到430°C，设置工件转架转速为3rpm ；
[0044](3)、工件沉积镀膜前往真空室I内通入Ar气，使真空室I内的压强为IPa，加负偏压900V对工件表面进行Ar离子轰击清洗20min，以去除表面残留的吸附物及氧化物，关闭Ar气；
[0045](4)、通入N2气，使N2气分压降至0.8Pa，偏压降至200V，真空室内温度升至450°C，启动第一电弧源用于沉积CrN打底层，工作4min ；
[0046](5)、加充N2气至1.5Pa,偏压降至100V,启动第二电弧源,与第一电弧源一起沉积AlCrN梯度过渡层第一层，工作3.3min ；
[0047](6)、加充N2气至3Pa，偏压降至80V，关闭第一电弧源，仅余第二电弧源沉积AlCrN梯度过渡层第二层，工作120min ；
[0048](7)、保持N2气分压为3Pa，偏压为80V不变，启动第三电弧源，与第二电弧源一起沉积AlCrTiSiN工作层，工作90min ；
[0049](8)、镀膜过程结束，真空室I冷却至室温，打开炉门，取出工件。
[0050]制备得到的涂层总厚度为3.ΙΟμπι，其中AlCrN梯度过渡层厚度为L 07 μ m，AlCrTiSiN工作层厚度 为2.03 μ m。
[0051]实施例2
[0052]如图1和图2所示，本实施例的一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0053](I)~(6)、与实施例1中步骤(1)~(6)相同；
[0054](7)、保持N2气分压为3Pa不变，偏压降低至50V，启动第三电弧源，与第二电弧源一起沉积AlCrTiSiN工作层，工作90min ；
[0055](8)、镀膜过程结束，真空室I冷却至室温，打开炉门，取出工件。
[0056]制备得到的涂层总厚度为2.45 μ m，其中AlCrN梯度过渡层厚度为0.84 μ m，AlCrTiSiN工作层厚度为1.61 μ m。
[0057]实施例3
[0058]如图1和图2所示，本实施例的一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0059](I)~(6)、与实施例1中步骤(1)至(6)相同；
[0060](7)、保持N2气分压为3Pa不变，偏压增高至120V，启动第三电弧源，与第二电弧源一起沉积AlCrTiSiN工作层，工作90min ；
[0061](8)、镀膜过程结束，真空室I冷却至室温，打开炉门，取出工件。
[0062]制备得到的涂层总厚度为3.13μπι，其中AlCrN梯度过渡层厚度为1.09μπι，AlCrTiSiN工作层厚度为2.04 μ m。
[0063]实施例4
[0064]如图1和图2所示，本实施例的一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0065](I)~(6)、与实施例1中步骤(1)至(6)相同；[0066](7)、降低N2气分压至2Pa，保持偏压为80V不变，启动第三电弧源，与第二电弧源一起沉积AlCrTiSiN工作层，工作90min ；
[0067](8)、镀膜过程结束，真空室I冷却至室温，打开炉门，取出工件。
[0068]制备得到的涂层总厚度为3.39μπι，其中AlCrN梯度过渡层厚度为1.03μπι，AlCrTiSiN工作层厚度为2.36 μ m。
[0069]实施例5
[0070]如图1和图2所示，本实施例的一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层的制备方法，包括以下步骤:
[0071](I)?(6)、与实施例1中步骤(I)至(6)相同；
[0072](7)、加充N2气，使N2气分压增加到4Pa，保持偏压为80V不变，启动第三电弧源，与第二电弧源一起沉积AlCrTiSiN工作层，工作90min ；
[0073](8)、镀膜过程结束，真空室I冷却至室温，打开炉门，取出工件。
[0074]制备得到的涂层总厚度为2.41 μ m，其中AlCrN梯度过渡层厚度为0.98 μ m，AlCrTiSiN工作层厚度为1.43 μ m。
[0075]如图4和图5所示，对比实施例1?实施例5，用纳米压痕法对中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层的硬度进行分析，涂层硬度均超过30GPa，且随偏压的增加而增力口，随N2分压的增加而降低。在偏压120V、N2分压3Pa和偏压80V、N2分压2Pa两个沉积参数下得到相近的最高硬度值45.4GPa。
[0076]如图6和图7所示，对比实施例1?实施例5，用划痕法对中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层的结合强度进行分析，表征涂层结合强度的Lc2值(第二临界载荷，即涂层与基体发生大量剥落时所对应的载荷)随偏压和N2分压的增加而降低。在沉积参数为偏压80V、2Pa时得到最高Lc2值67N。
[0077]如图8?图11所示，对比实施例1?实施例5，使用销盘摩擦磨损仪测量中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层在500°C下的摩擦系数并计算磨损率。可发现涂层摩擦系数和磨损率均随偏压和N2分压的增加而先降后增，在沉积参数为偏压80V、3Pa时摩擦系数和磨损率均最低，分别为0.0025和1.60X 10_16m3/Nm,磨损性能最优。
[0078]如图12和图13所示，对实施例1，使用销盘摩擦磨损仪测量被镀膜工件在室温(25 0C )和中高温(500°C )下的摩擦系数，计算磨损率并与传统AlCrN涂层作比较。可看到此AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层在500°C下的摩擦系数和磨损率均远低于室温下的数值。同时由图13中对比可发现虽然AlCrTiSiN/AlCrN涂层在室温时的摩擦系数和磨损率稍高于AlCrN涂层，但500°C时AlCrTiSiN/AlCrN涂层的摩擦系数和磨损率远低于AlCrN涂层，且与AlCrN涂层的高温下摩擦系数相差不大而磨损率高于室温下磨损率的情况不同，AlCrTiSiN/AlCrN涂层在500°C下摩擦系数和磨损率均远低于室温下数值。这是由于此多元梯度工具涂层在高温下发生氧化反应生成氧化物薄膜，充当了涂层与磨球间的润滑剂，使摩擦系数大幅下降并远低于室温下磨损率，从而具备优异的磨损性能。因此AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度超硬膜在中高温(500°C )时具有极为优异的磨损性能。
[0079]如图14所示，将传统AlCrN涂层和AlCrTiSiN/AlCrN多元梯度涂层处理高速切削刀头作比较，本实施例中的中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层处理的高速切削刀头的后刀面磨损量明显低于AlCrN涂层处理过刀头的磨损量，因而使高速切削刀头的使用寿命大幅增加。这也是由于本实施例处理的高速切削刀头具有优异的中高温磨损性能所致。
【权利要求】
1.一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层，其特征在于:该涂层为三层梯度结构，分别为CrN打底层、AlCrN梯度过渡层和AlCrTiSiN工作层；所述AlCrN梯度过渡层厚度为0.84?L 09 μ m, AlCrTiSiN工作层厚度为1.61?2.36 μ m ;所述AlCrTiSiN工作层中含有50?70%的(Al，Cr)N固溶体以及30?50%的(Al，Ti)N固溶体。
2.一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤: (1)在真空室内对称位置分别放置第一电弧源、第二电弧源和第三电弧源，将Ar和队气体接入真空室内；所述第一电弧源的靶材由单质Cr制成，纯度99.99%;第二电弧源的靶材由AlCr粉末冶金制成，Al和Cr的原子百分比为70:30，AlCr靶材的纯度为99.99% ;第三电弧源由AlTiSi粉末冶金制成，Al、Ti和Si的原子百分比为60:30:10, AlTiSi革巴材的纯度为99.99% ； (2)将抛光、清洗处理后的工件用夹具夹持住固定于真空室内的转架上；所述工件转架转速为3rpm，真空室真空度为5.0X10_2Pa，加热温度为430°C ； (3)工件沉积镀膜前往真空室内通入Ar气，加偏压对工件表面进行Ar离子轰击清洗以去除表面残留的吸附物及氧化物，关闭Ar气； (4)通入N2气，调节N2气压强与偏压，升高真空室内温度，启动第一电弧源用于沉积CrN打底层；所述沉积CrN打底层时N2气分压为0.8Pa，偏压200V，沉积温度450°C，沉积时间 4min ； (5)调节N2气压强与偏压，启动第二电弧源，与第一电弧源一起沉积AlCrN梯度过渡层第一层；所述沉积AlCrN梯度过渡层第一层时，N2气分压为1.5Pa，偏压100V，沉积时间3.3min ； (6)调节N2气压强与偏压，关闭第一电弧源，仅余第二电弧源沉积AlCrN梯度过渡层第二层；所述沉积AlCrN梯度过渡层第二层时，N2气分压为3Pa，偏压80V，沉积时间120min ； (7)调节N2气压强与偏压，启动第三电弧源，与第二电弧源一起沉积AlCrTiSiN工作层；所述沉积AlCrTiSiN工作层时，N2气分压为2?4Pa，偏压50?120V，沉积时间90min ； (8)镀膜过程结束，工件随炉冷却至室温。
3.如权利要求2所述的一种中高温自润滑多弧离子镀多元梯度工具涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤(7)中的N2气分压为3Pa，偏压为80V。
【文档编号】C23C14/18GK103978748SQ201410238970
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】张世宏, 刘书媛, 李明喜, 陈汪林 申请人:安徽工业大学