一种涂层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工具、模具表面涂层技术领域，尤其涉及一种涂层及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前用于硬质合金刀具的PVD涂层主要是以TiN、TiC、TiAlN、AlTiN、CrN和CrAlN涂层为主，包括它们的单层或多层复合结构涂层。TiAlN和AlTiN具有良好的隔热效果和综合机械性能，是现在许多工业加工的标准选择，市场占有率约为40%。TiAlN涂层Al含量约为50%，高温氧化温度约为900°C ；AlTiN涂层由TiAlN发展而来，它比TiAlN具有更高的Al含量(65?70% )，抗氧化性更好，但硬度和耐磨损性能有所下降，因此，需要添加新的元素或采取更优涂层结构设计来进一步改善涂层性能。
[0003]在现有TiN、CrN, TiAlN, CrAlN等含N涂层中通过添加C元素以及采用多层或梯度结构设计可有效获得更高耐磨性能和更低摩擦系数涂层，如具备梯度结构的TiCN和TiAlCN涂层、纳米多层结构TiAlN/TiAlCN等。通过查询，得到如下关于在含N涂层中通过添加C元素以及采用多层结构或梯度结构设计来改善涂层性能的中国专利:
[0004]申请号为200810071119.2的专利涉及了一种TiAlCN非金属元素线性变化梯度涂层的制作方法，是采用PVD方法进行涂层处理，该涂层处理过程被分成连续的四个时间段，是在第二个时间段内，同时向炉腔内通入氩气Ar、氮气N2、乙炔气体C2H2，其中氩气Ar流量保持不变，氮气N2的流量匀速下降或上升，乙炔气体C2H2的流量则匀速上升或下降；从而形成一个非金属元素线性变化的TiAlCN梯度层，使制备出的涂层具有表面光洁度高，抗脱膜能力强，抗粘刀性能好的优点，而更适合于精加工。该工艺制备的梯度TiAlCN涂层在水溶液冷却下中、低速加工粘性大的材料可发挥出优秀的性能。
[0005]申请号为200910193489.8的专利公开了一种TiCN系列纳米梯度复合多层涂层及其制备方法，该纳米梯度复合多层涂层是在硬纸合金、洛氏硬度超过HRC60的铁基工具或模具基体上，依次由TiN膜、梯度变化Ti (CxNn)膜和TiCN膜组成结构为TiN/Ti (CxNn)/Ti (CN)纳米复合多层涂层，其中X = O?0.5。本发明的涂层制备方法包括表面预处理、预加热、表面清洗刻蚀、过渡层制备、梯度层制备和表面层制备等步骤。本发明制备的涂层硬度达到28?32GPa，涂层同基体结合力超过55N，提高了 TiCN系列涂层同基体的结合力和耐磨性，提高了工、模具的工作效率和使用寿命。
[0006]申请号为201010594825.2的专利公开了一种基体表面的TiAlN/TiAlCN多层膜涂层及其制备方法，该多层膜涂层由TiAlN膜与TiAlCN膜交替层叠形成周期排列，在一个周期中，TiAlN膜与TiAlCN膜的厚度之和为I纳米?20纳米，TiAlCN膜中C原子的原子百分含量为0.1%?5%。本发明的多层膜涂层具有高硬度、低内应力以及高韧性，能够提高基体的切削效率与抗腐蚀性，延长基体的使用寿命。本发明通过高功率脉冲磁控溅射技术沉积该多层膜涂层，通过调节基体的自转和公转速率以及调节对靶的数量，达到控制纳米调制周期的目的。
[0007]申请号为201210435916.0的专利提供了一种多层的工具件涂层。例如，工具件可以是用于形成超高强度钢板的模具或冲模。多层的模具涂层可以包括CrN或Ti (C)N接合层、第一 TiAlN/CrN纳米多层、和第二 TiAlCN/CrCN纳米多层。CrN或Ti (C)N接合层可以涂覆在用于形成钢板的工具件(例如，模具)的基材上。第一 TiAlN/CrN纳米多层可以涂覆在CrN或Ti (C)N接合层上而作为中间层。第二 TiAlCN/CrCN纳米多层可以涂覆在第一TiAlN/CrN纳米多层上而作为最外表面功能层，且可以包括约Iat.%?约30at.%的碳(C)以用于高温和低摩擦。
[0008]以上公开专利在改善现有含N涂层硬度、韧性以及降低涂层摩擦系数方面都提出了很好的解决方案，然而以上技术更多强调改善涂层本身性能，对于改善涂层膜基附着力方面未提出很好解决方案。现有技术中提出的纳米多层涂层结构，这种涂层可在一定程度上改善涂层硬度、抗氧化性以及涂层韧性，然而纳米多层涂层的硬度增强不但与单层材料的性能和制备工艺有关，还与涂层的调制周期有关，当在形状复杂的刀具或统一装炉中不同工件表面沉积时很难控制各层的厚度，而且在高温工作环境下各层间的元素互扩散也导致涂层性能发生变化，因此，不适合作为广泛推广的高速切削刀具涂层。
[0009]对于高速切削加工用刀具，不仅要求涂层本身具备较高硬度、高耐磨性以及高抗氧化性，对涂层与基体的膜基结合力也提出很高要求。良好的膜基附着力是优异涂层性能发挥的前提。
【发明内容】
[0010]基于此，本发明针对现有涂层性能改善技术不足之处，提出一种硬度较高且耐磨性能较好的涂层及其制备方法。
[0011]—种涂层，所述涂层包括依次层叠在基体表面的Cr界面植入层、CrN结合层、AlTiN过渡层、AlTiCN强化层以及AlTiN功能层。
[0012]在其中一个实施方式中，所述Cr界面植入层的厚度占所述涂层总厚度的0.5%?1% ;所述CrN结合层的厚度占所述涂层总厚度的1%?10%，所述AlTiN过渡层的厚度占所述涂层总厚度的5%?30% ;AlTiCN强化层的厚度占所述涂层总厚度的10%?50%，AlTiN功能层厚度占所述涂层总厚度的20%?50%。
[0013]在其中一个实施方式中，所述AlTiCN强化层中C元素的摩尔百分含量沿垂直所述AlTiCN强化层的方向梯度增加；所述AlTiCN强化层中C元素含量按原子百分比计为0.1%?
[0014]—种涂层的制备方法，包括如下步骤:
[0015](I)基体经过超声波清洗并去除表面水分；
[0016](2)将经预处理后的所述基体均匀固定在支架上并装入电弧离子镀膜机中，将炉腔抽至本底真空0.0lPa以下，同时打开加热器升温至300?550°C ；
[0017](3)对所述基体的表面进行辉光清洗；
[0018](4)在所述基体的表面沉积Cr界面植入层及CrN结合层；
[0019](5)在所述CrN结合层的表面沉积AlTiN过渡层；
[0020](6)在所述AlTiN过渡层的表面沉积AlTiCN强化层；
[0021](7)在所述AlTiCN强化层的表面沉积AlTiN功能层。
[0022]在其中一个实施方式中，辉光清洗时，打开Ar流量阀通入Ar气，调整真空室约为0.0l?IPa，基体加负偏压300?1000V，对基体进行辉光溅射清洗5?35min ；
[0023]沉积Cr界面植入层及CrN结合层时:调整基体负偏压至50?200V，开启纯Cr靶，调整靶材电流为100?400A，以Cr离子高能轰击基体I?1min以活化基体表面；打开队气流量阀，调整镀膜压力为I?5Pa，温度为200?400°C条件下，沉积CrN结合层I?1min ；
[0024]沉积AlTiN过渡层时:调整N2流量，调整炉腔真空度约为I?5Pa，调整基体负偏压50?200V，打开AlTi靶，调节弧源电流50?400A，沉积AlTiN过渡层I?1min ；
[0025]沉积AlTiCN强化层时:调整N2流量，同时打开C 2H2流量阀通入C 2H2，保持炉腔真空度约为I?3Pa，打开AlTi靶，调节弧源电流50?400A，调整基体负偏压50?200V ;其中NjPC2H2流量的通入分四步进行，其流量比值P C2H2:P N2分别为1:90、2:90、3:90、4:90，每步施加I?1min后关闭；
[0026]沉积AlTiN功能层时:调整N2流量，调整炉腔真空度约为I?5Pa，调整基体负偏压50?200V，打开AlTi靶，调节弧源电流50?400A，沉积AlTiN功能层I?20min ;完成镀膜后，刀具随炉降温至200°C以下后取出常温冷却即可。
[0027]本发明相比现有技术，具有以下优点:
[0028]区别于现有技术中提出的纳米多层结构，本发明涉及的涂层设计主要是考虑刀具涂层更好的结合和多功能化，采用Cr元素对刀具基体进行表面植入，可以提高基体表面活性，以利于后续涂层在基体表面沉积；CrN结合层用于改善涂层与刀具基体的结合；梯度结构的AlTiCN强化层能够改善涂层韧性及强度，C元素的添加起到在切削的时候适应切削环境析出微量C以降低涂层摩擦系数;AlTiN功能层同样可起到在切削的时候适应切削环境生成低摩擦的稳定氧化膜作用。
【附图说明】
[0029]图1为实施例1制备的涂层的立铣刀与对比的立铣刀后刀面磨损量与切削长度的曲线图；
[0030]图2为实施例2制备的涂层与对比例的摩擦系数对比曲线图。