專利名稱:一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層及其沉積方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層及其沉積方法,該涂層應(yīng)用于不銹
鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金等材料的耐磨和防腐蝕,屬于金屬陶瓷、機(jī)械加工及金屬腐蝕與防護(hù) 領(lǐng)域。
背景技術(shù):
由于對刀具高的切削效率和使用壽命的無限追求,硬度超過40GPa的超硬涂層成 為刀具涂層發(fā)展的重點。單相材料的高硬度一般伴隨低的韌性,而韌性差的涂層容易產(chǎn)生 裂紋、發(fā)生剝落、甚至影響基體的疲勞壽命。隨著難加工材料的大量應(yīng)用、禁用冷卻劑和潤 滑劑以防止污染的使用要求,刀具表層在切削中經(jīng)歷極高的溫度,由于高溫下涂層的晶粒 長大、應(yīng)力釋放、表層氧化,涂層硬度會急劇下降。因此發(fā)展高溫下保持結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定的 高硬度、強(qiáng)韌性超硬復(fù)合涂層至關(guān)重要。 超硬涂層的獲得可通過工藝控制、多元復(fù)合、納米多層設(shè)計和多相復(fù)合等途徑獲 得。 通過工藝控制,在PVD或CVD涂層沉積過程中提高荷能離子能量,高能離子轟擊 導(dǎo)致大的壓應(yīng)力、大量的晶格缺陷和涂層的致密化,使涂層表現(xiàn)出高的硬度和彈性模量。 Mayrhofer等以磁控濺射技術(shù)在荷能離子能量為120eV的條件下得到TiN涂層硬度和彈性 模量分別達(dá)到了 56Gpa和480Gpa。這種涂層在高于沉積溫度以上的高溫下退火,由于壓應(yīng) 力釋放和缺陷密度的降低,硬度迅速下降到20Gpa以下。 多元復(fù)合是提高涂層硬度和抗氧化性的有效手段。研究表明,向BlNaCl結(jié)構(gòu)的 TiN、VN、ZrN、CrN等過渡金屬氮化物涂層中引入或AlN形成Bl結(jié)構(gòu)的固溶體可以顯著提高 涂層的硬度和抗氧化性。其中研究最多最深入的為(Ti, Al)N,含30at^以上Al的涂層抗 氧化溫度提高到70(TC,硬度達(dá)到30Gpa以上,由于TiN及A1N固溶度有限,難以形成穩(wěn)定 的、AlN固溶度超過50X的BlNaCl結(jié)構(gòu)的涂層,限制了抗氧化溫度的進(jìn)一步提升。近年來, 具有比氮化鈦鋁更高的硬度和抗氧化性的氮化鉻鋁作為刀具、模具的超硬耐磨涂層引起了 研究者的興趣。AlN在Bl結(jié)構(gòu)的CrN中的固溶度可達(dá)到77X (摩爾百分比),可以得到高 Al含量(Cr,Al)N涂層,同時Cr、Al都能形成保護(hù)性氧化膜,可大大提高涂層的抗氧化能力; (Cr,Al)N涂層具有高的室溫硬度和紅硬性(高溫硬度),不同沉積工藝和成分的(Cr,Al)N 涂層硬度達(dá)30-40Gpa,高于TiN、 CrN或(Ti, A1)N涂層的硬度,特別重要的是(Cr,Al)N涂 層具有優(yōu)異的紅硬性,70(TC下的硬度達(dá)到22. 5Gpa,因此適合于高溫應(yīng)用。固溶強(qiáng)化對這些 單相復(fù)合涂層的硬度提高有一定貢獻(xiàn),但沉積過程中荷能離子轟擊導(dǎo)致的應(yīng)力仍然是硬度 強(qiáng)化的主要途徑,高溫下退火處理,仍會產(chǎn)生明顯的硬度降低現(xiàn)象。 以納米厚度薄膜交替沉積獲得的納米多層膜,膜的硬度與調(diào)制周期有關(guān),當(dāng)調(diào)制 周期介于l-10nm的范圍,多層膜的硬度有可能高于每一種組成薄膜的硬度。超硬效應(yīng)歸 功于界面協(xié)調(diào)應(yīng)變、交替層的模量差異及納米結(jié)構(gòu)的Hall-petch強(qiáng)化等,這些效應(yīng)都是通 過阻止位錯運動穿過調(diào)制界面從而提高涂層的硬度。如低應(yīng)力的超晶格TiN/SiN(001)多層膜的硬度達(dá)到40Gpa以上,單晶TiN/VN應(yīng)變層超晶格的最高硬度達(dá)到了 55. 6Gpa。由于 高溫下層間的元素互擴(kuò)散及高溫氧化引起的實效,這些氮化鈦基的多層膜很難在較高溫度 應(yīng)用。本發(fā)明所涉及的超硬雙相納米多層氮化鉻鋁涂層超硬復(fù)合涂層,由BlNaCl結(jié)構(gòu)的 Civ,Al,及B4ZnS結(jié)構(gòu)的CivyAlyN交替沉積在基體上形成,由于所含鉻、鋁兩種金屬元素都 能在高溫下形成致密的氧化膜,涂層具有非常好的抗氧化和抗腐蝕能力。同時由于雙相都 由相同的元素組成,元素濃度梯度可以控制的較低,提高涂層結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種超高硬度、高溫下熱穩(wěn)定性和抗氧化能力好的雙相納 米多層氮化鉻鋁涂層超硬復(fù)合涂層及其沉積技術(shù),所選取氮化鉻鋁本身具有較高的硬度和 抗氧化性能,通過Bl-CivXA1XN/B4-CivyAlyN雙相納米多層復(fù)合設(shè)計,綜合運用氮化鉻鋁中 的固溶強(qiáng)化效應(yīng)、納米設(shè)計引起的hall-petch效應(yīng)、以及雙相設(shè)計的相界強(qiáng)化效應(yīng),進(jìn)一 步提高涂層的硬度,同時不因多層設(shè)計影響涂層的熱穩(wěn)定性。 涂層設(shè)計方案如下涂層由BlNaCl結(jié)構(gòu)的Cr卜XA1XN及B4ZnS結(jié)構(gòu)的Cr卜yAlyN交 替沉積在基體上形成,對BlNaCl相Cr卜XA1XN,0. 1 < x < 0. 75,對B4ZnS相CivyAlyN,0. 75 < y < 1。單層厚度為0. 5-50納米,涂層總厚度為0. 5-30微米。 —種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層的沉積方法,其中利用兩靶共濺中頻反應(yīng)磁控 濺射技術(shù), 一靶采用純Cr耙,另一靶采用純Al靶,要沉積基材選用YG8硬質(zhì)合金,基材超聲 清洗、輝光清洗后沉積涂層;沉積工藝設(shè)定后由工控機(jī)控制,沉積溫度為400-450°C, Ar分 壓0. 2Pa, N2分壓為0. 15Pa,基體脈沖偏壓頻率80KHz、峰值-150V、占空比40%,中頻濺射 電源供電,頻率40KHz,占空比80%,每一調(diào)制周期為10秒,前5秒Cr靶功率1. 5KW,A1靶功 率4KW,后5秒Cr耙功率1. 2KW, Al耙功率4. 8KW,共沉積2小時;B1相單層厚度約3. 5nm, B4相單層厚度約3nm,涂層厚度4. 7 y m,涂層硬度62Gpa。 這種超硬雙相納米多層氮化鉻鋁涂層采用離子鍍技術(shù)、磁控濺射技術(shù)或混合的離 子鍍和磁控濺射技術(shù),通過兩靶共沉積、交替改變兩靶功率或者兩不同成分的靶材交替沉 積的方法獲得;濺射及反應(yīng)氣體為Ar和K,沉積過程中Ar的分壓為0. 05_2Pa, N2的分壓 為0. 05-2Pa。兩靶所用靶材分別為Cr、Al靶或成分不同的CrAl合金靶;兩靶交替濺射時, 采用CrAl合金靶,其中一靶的A1含量(at%)低于75X,另一靶的A1含量(at% )高于 75%,單層厚度由各靶對基體單次濺射時間及功率決定。通過兩靶共沉積、交替改變兩靶功 率時,兩耙分別采用Cr耙和Al耙,通過周期性同步調(diào)節(jié)兩耙功率,使兩耙周期性工作在兩 個功率下,單層厚度由高功率、低功率的沉積時間決定。 所獲得的超硬復(fù)合涂層的硬度達(dá)到40-76Gpa,涂層本身使用溫度可高達(dá)90(TC以 上。 本發(fā)明的優(yōu)點通過雙相納米多層氮化鉻鋁涂層技術(shù)可以使得涂層的硬度達(dá)到 40-76Gpa。
圖1本發(fā)明雙相納米多層氮化鉻鋁涂層結(jié)構(gòu)示意圖,a為基體,b為Bl相單層,c 為B4相單層。
具體實施例方式
實施例1、一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層的沉積方法,其中利用兩靶共濺中 頻反應(yīng)磁控濺射技術(shù), 一靶采用純Cr耙,另一靶采用純Al耙,要沉積基材選用YG8硬質(zhì) 合金,基材超聲清洗、輝光清洗后沉積涂層。沉積工藝設(shè)定后由工控機(jī)控制,沉積溫度為 400-450°C,Ar分壓0. 2Pa,N2分壓為0. 15Pa,基體脈沖偏壓頻率80KHz、峰值_150V、占空比 40% ,中頻濺射電源供電,頻率40KHz,占空比80 % ,每一調(diào)制周期為10秒,前5秒Cr耙功 率1. 5KW, Al耙功率4KW,后5秒Cr耙功率1. 2KW, Al耙功率4. 8KW,共沉積2小時。Bl相 單層厚度約3. 5nm, B4相單層厚度約3nm,涂層厚度4. 7 y m,涂層硬度62Gpa。
實施例2、一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層的沉積方法,其中利用兩靶共濺中頻 反應(yīng)磁控濺射技術(shù), 一靶采用純Cr靶,另一靶采用純A1靶,要沉積基材選用1CrllNi2W2MoV 不銹鋼,基材超聲清洗、輝光清洗后沉積涂層。沉積工藝設(shè)定后由工控機(jī)控制,沉積溫度為 250-300°C,Ar分壓0. 2Pa,N2分壓為0. 15Pa,基體脈沖偏壓頻率80KHz、峰值-IOOV、占空比 40X,中頻濺射電源供電,頻率40KHz,占空比80%,每一調(diào)制周期為20秒,前10秒Cr靶功 率1. 0KW, Al耙功率4KW,后10秒Cr耙功率1. 2KW, Al耙功率4. 8KW,共沉積2小時。Bl相 單層厚度約6nm, B4相單層厚度約6nm,涂層厚度4. 3 y m,涂層硬度51Gpa。
實施例3、一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層的沉積方法,其中利用兩靶共濺多弧 離子鍍技術(shù), 一靶采用純Cr耙,另一靶采用純Al靶,要沉積基材選用M2高速鋼,基材超聲 清洗、輝光清洗后沉積涂層。沉積工藝設(shè)定后由計算機(jī)控制,沉積溫度為250-300°C, Ar分 壓0. 2Pa,N2分壓為0. 6Pa,基體脈沖偏壓頻率80KHz、峰值_200V、占空比25%,每一調(diào)制周 期為8秒,前4秒Cr靶功率1. 2KW, Al靶功率1. 2KW,后4秒Cr靶功率1. 0KW, Al靶功率 1. 3KW,共沉積1小時。Bl相單層厚度約5. 5nm,B4相單層厚度約6nm,涂層厚度約5. 2 y m, 涂層硬度48Gpa。 實施例4、一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層的沉積方法,其中利用混合的中頻反 應(yīng)磁控濺射和多弧離子鍍技術(shù),濺射耙耙采用純Al耙,多弧耙采用Cr耙,要沉積基材選用 YG8硬質(zhì)合金,基材超聲清洗、輝光清洗后沉積涂層。沉積工藝設(shè)定后由計算機(jī)控制,沉積溫 度為250-300°C, Ar分壓0. 2Pa, N2分壓為0. 6Pa,基體脈沖偏壓頻率80KHz、峰值-150V、占 空比30 % ,中頻濺射電源供電頻率40KHz,占空比80 % ,多弧電源為直流供電,每一調(diào)制周 期為8秒,前5秒Cr靶功率1. 2KW, Al靶功率6KW,后5秒Cr靶功率1. 0KW, Al靶功率8KW, 共沉積50分鐘。Bl相單層厚度約6. 4nm, B4相單層厚度約6. 2nm,涂層厚度3. 8 y m,涂層 硬度40Gpa。 實施例5、一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層的沉積方法,其中利中頻反應(yīng)磁控濺 射技術(shù)采用兩不同成分的靶材交替沉積, 一靶采用Cr40A160靶,另一靶采用Crl50A185耙, 兩靶分別置于真空室的兩側(cè),真空室中間擋板隔離,要沉積基材選用W18高速鋼,樣品沉積 過程中既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn),確保樣品基材超聲清洗、輝光清洗后沉積涂層。沉積工藝設(shè)定后由 計算機(jī)控制,沉積溫度為250-300°C, Ar分壓0. 3Pa, N2分壓為0. 1Pa,基體脈沖偏壓頻率 80KHz、峰值-150V、占空比60%,中頻濺射電源供電,頻率40KHz,占空比80%,公轉(zhuǎn)一周為 一調(diào)制周期,時間10秒,兩靶功率均為5KW,共沉積3小時共1080個周期。Bl相單層厚度 約3. 2nm, B4相單層厚度約2. 2nm,涂層厚度5. 8 y m,涂層硬度76Gpa。
實施例6、一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層,其中由BlNaCl結(jié)構(gòu)的Crl-xAlxN及 B4ZnS結(jié)構(gòu)的Crl-yAlyN交替沉積在基體上形成,單層厚度為0. 5_50納米,涂層總厚度為 0. 5-30微米。 實施例7、一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層,其中交替的兩層膜為不同相結(jié)構(gòu)和 不同的元素組成,其中一相為Bl-Crl-xAlxN,O. 1 < x < 0. 75,另一相為B4-Crl-yAlyN, 0. 75 < y < 1。
權(quán)利要求
一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層,其特征在于由B1NaCl結(jié)構(gòu)的Cr1-xAlxN及B4ZnS結(jié)構(gòu)的Cr1-yAlyN交替沉積在基體上形成,單層厚度為0.5-50納米,涂層總厚度為0.5-30微米。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層,其特征在于交替的兩層膜為不同相結(jié)構(gòu)和不同的元素組成,其中一相為Bl-Crl-xAlxN,O. 1 < x < 0. 75,另一相為B4-Crl-yAlyN,0. 75 < y < 1。
3. —種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層的沉積方法,其特種在于采用離子鍍技術(shù)、磁控濺射技術(shù)或混合的離子鍍和磁控濺射技術(shù),通過兩靶共沉積、交替改變兩靶功率或者兩不同成分的靶材交替沉積的方法獲得一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層的沉積方法,其特征在于反應(yīng)氣體為Ar和K,沉積過程中Ar的分壓為0. 05_2Pa, N2的分壓為0. 05_2Pa。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層的沉積方法,其特征在于兩靶所用靶材分別為Cr、Al靶或成分不同的CrAl合金靶;兩靶交替濺射時,采用CrAl合金耙,其中一耙的Al含量(at% )低于75X,另一耙的A1含量(at% )高于75%,單層厚度由各靶對基體單次濺射時間及功率決定;通過兩靶共沉積、交替改變兩靶功率時,兩靶分別采用Cr靶和Al靶,通過周期性同步調(diào)節(jié)兩靶功率,使兩靶周期性工作在兩個功率下,單層厚度由高功率、低功率的沉積時間決定。
6. —種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層的沉積方法,其特征在于利中頻反應(yīng)磁控濺射技術(shù)采用兩不同成分的靶材交替沉積,一靶采用Cr40A160靶,另一靶采用Crl50A185靶,兩靶分別置于真空室的兩側(cè),真空室中間擋板隔離,要沉積基材選用W18高速鋼,樣品沉積過程中既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn),確保樣品基材超聲清洗、輝光清洗后沉積涂層;沉積工藝設(shè)定后由計算機(jī)控制,沉積溫度為250-300°C,Ar分壓0. 3Pa,N2分壓為0. 1Pa,基體脈沖偏壓頻率80KHz、峰值-150V、占空比60%,中頻濺射電源供電,頻率40KHz,占空比80% ,公轉(zhuǎn)一周為一調(diào)制周期,時間10秒,兩靶功率均為5KW,共沉積3小時共1080個周期;B1相單層厚度約3. 2nm,B4相單層厚度約2. 2nm,涂層厚度5. 8 y m,涂層硬度76Gpa。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙相納米多層氮化鉻鋁涂層及其沉積方法,該涂層應(yīng)用于不銹鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金等材料的耐磨和防腐蝕,屬于金屬陶瓷、機(jī)械加工及金屬腐蝕與防護(hù)領(lǐng)域。該發(fā)明涂層設(shè)計方案如下涂層由B1NaCl結(jié)構(gòu)的Cr1-xAlxN及B4ZnS結(jié)構(gòu)的Cr1-yAlyN交替沉積在基體上形成,對B1NaCl相Cr1-xAlxN,0.1<x<0.75,對B4ZnS相Cr1-yAlyN,0.75<y<1。單層厚度為0.5-50納米,涂層總厚度為0.5-30微米。本發(fā)明的優(yōu)點通過雙相納米多層氮化鉻鋁涂層技術(shù)可以使得涂層的硬度達(dá)到40-76Gpa。
文檔編號C23C14/35GK101717914SQ20091018680
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者張淑娟, 張迎, 李明升, 范永中 申請人:江西科技師范學(xué)院