專利名稱：涂層、具有該涂層的被覆件及該被覆件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂層、具有該涂層的被覆件及該被覆件的制備方法，特別涉及一種以真空鍍膜的方式形成的涂層、具有該涂層的被覆件及該被覆件的制備方法。
背景技術(shù)：
真空鍍膜工藝在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其中，TiN薄膜鍍覆在刀具或模具表面能大幅提高刀具和模具的使用壽命。然而，隨著金屬切削加工朝高切削速度、高進(jìn)給速度、 高加工溫度、高可靠性、長(zhǎng)壽命、高精度和良好的切削控制性方面發(fā)展，對(duì)表面涂層的性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的TiN涂層在硬度、韌性及高溫抗氧化性等方面已經(jīng)不能滿足要求。ZrN薄膜由于其硬度與韌性均優(yōu)于TiN薄膜而受到人們的廣泛關(guān)注。但單一的ZrN 薄膜在硬度、耐磨性及高溫抗氧化性等方面幾乎已經(jīng)沒(méi)有提高的空間，很難滿足現(xiàn)代工業(yè)的需求。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種具有高硬度、良好的高溫抗氧化性及耐磨性的涂層。另外，有必要提供一種具有上述涂層的被覆件。還有必要提供一種上述被覆件的制備方法?！N涂層，形成于硬質(zhì)基體表面上，該涂層包括一梯度膜層，該梯度膜層為一 &YCN層，該梯度膜層中N原子及C原子的個(gè)數(shù)含量由靠近該硬質(zhì)基體至遠(yuǎn)離該硬質(zhì)基體的方向呈梯度增加。一種被覆件，包括一硬質(zhì)基體及形成在該硬質(zhì)基體上的一涂層，該涂層包括形成于該硬質(zhì)基體上的一梯度膜層，該梯度膜層為一 &YCN層，該梯度膜層中N原子及C原子的個(gè)數(shù)含量由靠近該硬質(zhì)基體至遠(yuǎn)離該硬質(zhì)基體的方向呈梯度增加。一種被覆件的制備方法，包括以下步驟提供一硬質(zhì)基體；在該硬質(zhì)基體的表面磁控濺射一梯度膜層，該梯度膜層為一 &YCN層，該梯度膜層中N原子及C原子的個(gè)數(shù)含量由靠近該硬質(zhì)基體至遠(yuǎn)離該硬質(zhì)基體的方向呈梯度增加。相較于現(xiàn)有技術(shù)，所述的涂層在其梯度膜層的形成過(guò)程中引入Y原子，該Y原子能夠起到細(xì)化晶粒的作用，可有效地提高該涂層的硬度、韌性及致密性。更重要的是，在發(fā)生高溫氧化時(shí)，所述梯度膜層中的Y將偏析到晶粒邊界及相邊界，阻止梯度膜層中的元素向外擴(kuò)散及外界的氧氣向梯度膜層內(nèi)擴(kuò)散，如此可大大提高所述梯度膜層的抗高溫氧化能力。所述梯度膜層與硬質(zhì)基體結(jié)合處主要表現(xiàn)為ττ的金屬相，使其具有與硬質(zhì)基體較相近的熱膨脹系數(shù)，因此界面處內(nèi)應(yīng)力小，使得梯度膜層與硬質(zhì)基體之間的結(jié)合力增強(qiáng)。所述梯度膜層的硬度、韌性的提高及梯度膜層與硬質(zhì)基體之間結(jié)合力的增強(qiáng)，可顯著地提高所述被覆件的耐磨性。
圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例的涂層的剖視圖；圖2為本發(fā)明較佳實(shí)施例的被覆件的剖視圖；圖3為本發(fā)明較佳實(shí)施例的被覆件的制備方法的流程圖。主要元件符號(hào)說(shuō)明涂層10梯度膜層 11顏色層13結(jié)合層20硬質(zhì)基體 30被覆件40
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明一較佳實(shí)施例的涂層10包括一梯度膜層11，該涂層10形成于一硬質(zhì)基體30的表面。該硬質(zhì)基體30的材質(zhì)可以為高速鋼、硬質(zhì)合金及不銹鋼等。該梯度膜層11為一 &YCN層，其厚度為0. 7 2. 5 μ m。該梯度膜層11通過(guò)磁控濺射法沉積形成。在該梯度膜層11中，N原子及C原子的個(gè)數(shù)含量均隨著該梯度膜層11厚度的增加而增加，即N原子及C原子在該梯度膜層11中的個(gè)數(shù)含量由靠近硬質(zhì)基體30至遠(yuǎn)離硬質(zhì)基體30的方向均呈梯度增加。可以理解的，在該梯度膜層11的表面還可鍍覆一顏色層13，以增強(qiáng)該涂層10的美觀性。請(qǐng)參閱圖2，本發(fā)明一較佳實(shí)施例的被覆件40包括一硬質(zhì)基體30、形成于該硬質(zhì)基體30的一結(jié)合層20及形成于該結(jié)合層20上的涂層10。該被覆件40可以為各類切削刀具、精密量具或模具。該結(jié)合層20用以提高涂層10與硬質(zhì)基體30之間的結(jié)合力。本實(shí)施例中，該結(jié)合層20為一 ZrY層，其厚度為50 300nm。該結(jié)合層20通過(guò)磁控濺射法沉積形成。請(qǐng)進(jìn)一步參見圖3，制作所述被覆件40的方法主要包括如下步驟Sl 提供一硬質(zhì)基體30。S2 對(duì)該硬質(zhì)基體30進(jìn)行前處理。依次用去離子水和無(wú)水乙醇對(duì)該硬質(zhì)基體30表面進(jìn)行擦拭，將擦拭后的硬質(zhì)基體30放入盛裝有丙酮溶液的超聲波清洗器中進(jìn)行震動(dòng)清洗，以除去硬質(zhì)基體30表面的雜質(zhì)和油污等。清洗完畢后吹干備用。對(duì)經(jīng)上述處理后的硬質(zhì)基體30的表面進(jìn)行氬氣等離子清洗，以進(jìn)一步去除硬質(zhì)基體30表面的雜質(zhì)，同時(shí)增加硬質(zhì)基體30表面的粗糙度，以改善硬質(zhì)基體30表面與后續(xù)涂層的結(jié)合力。具體操作及工藝參數(shù)可為將硬質(zhì)基體30放入一磁控濺射鍍膜機(jī)的鍍膜室內(nèi)，抽真空該鍍膜室至真空度為1. 0X10_3Pa，以250 500sCCm的流量向鍍膜室中通入純度為99. 999%的氬氣，并施加-300 -500V的偏壓于硬質(zhì)基體30，對(duì)硬質(zhì)基體30表面進(jìn)行等離子清洗，清洗時(shí)間為10 15min。S3 于該硬質(zhì)基體30上形成一結(jié)合層20。
該結(jié)合層20為一 ZrY層。本實(shí)施例中，制備該結(jié)合層20包括如下步驟在對(duì)硬質(zhì)基體30進(jìn)行等離子體清洗后，調(diào)節(jié)鍍膜室的氬氣流量至100 200sCCm， 加熱鍍膜室至150 400°C (即濺射溫度為150 400°C )，開啟一安裝于所述磁控濺射鍍膜機(jī)的鍍膜室內(nèi)的鋯釔(&Y)復(fù)合靶材的電源，調(diào)節(jié)硬質(zhì)基體30的偏壓為-100 -250V， 沉積結(jié)合層20。沉積該結(jié)合層20的時(shí)間為5 lOmin。其中，所述鋯釔復(fù)合靶材中釔(Y) 的質(zhì)量百分含量為0.3 5%。S4 于該結(jié)合層20上形成一梯度膜層11。該梯度膜層11為一 &YCN層。制備該梯度膜層11時(shí)，以氮?dú)饧耙胰矚怏w為反應(yīng)氣體，并通過(guò)調(diào)節(jié)氮?dú)饧耙胰矚怏w的流量隨沉積時(shí)間呈梯度變化，而使N原子及C原子在該梯度膜層11中的個(gè)數(shù)含量由靠近硬質(zhì)基體30至遠(yuǎn)離硬質(zhì)基體30的方向均呈梯度變化。本實(shí)施例中，制備該梯度膜層11包括如下步驟形成所述結(jié)合層20后，向鍍膜室中通入初始流量為10 20sCCm的氮?dú)饧俺跏剂髁繛? 15sCCm的乙炔氣體，調(diào)節(jié)硬質(zhì)基體30的偏壓為-150 -500V，連續(xù)的鍍膜以沉積梯度膜層11。在沉積梯度膜層11的過(guò)程中，每沉積15min將氮?dú)饧耙胰矚怏w的流量分別增大15 20sCCm。沉積該梯度膜層11的時(shí)間為45 150min。其中，所述氮?dú)獾募兌葹?99. 999%，所述乙炔氣體的純度為99. 8%。關(guān)閉偏壓及鋯釔復(fù)合靶的電流，停止通入氬氣、氮?dú)饧耙胰矚怏w，待所述梯度膜層 11冷卻后，向鍍膜室內(nèi)通入空氣，打開鍍膜室門，取出鍍覆有結(jié)合層20及梯度膜層11的硬質(zhì)基體30?？梢岳斫獾模苽渌霰桓布?0的方法還可包括在該梯度膜層11的表面鍍覆一顏色層13，以增強(qiáng)被覆件40的美觀性。所述的梯度膜層11在其形成過(guò)程中，Y不能與&、C、N形成固溶相，而是以獨(dú)立形式偏聚在晶界上形成Y相，如此可抑制&CN晶粒的長(zhǎng)大，使得梯度膜層11中的&CN晶粒的粒徑維持在納米級(jí)，如此可顯著地提高所述梯度膜層11的硬度、韌性及致密性。更重要的是，在高溫狀態(tài)下，所述梯度膜層11中的Y將偏析到晶粒邊界及相邊界，阻止梯度膜層11 中的元素向外擴(kuò)散及外界的氧氣向梯度膜層11內(nèi)擴(kuò)散，如此可大大提高所述梯度膜層11 的高溫抗氧化能力。所述梯度膜層11的N原子、C原子的含量呈梯度變化，與結(jié)合層20的結(jié)合處N原子、C原子的含量較低，梯度膜層11主要表現(xiàn)為^ 的金屬相，使其具有與結(jié)合層20、硬質(zhì)基體30較相近的熱膨脹系數(shù)，因此界面處內(nèi)應(yīng)力小，使得梯度膜層11與結(jié)合層20之間的結(jié)合力增強(qiáng)。所述梯度膜層11的硬度、韌性的提高及梯度膜層11與結(jié)合層20之間結(jié)合力的增強(qiáng)，可顯著地提高所述被覆件40的耐磨性。
權(quán)利要求
1.一種涂層，形成于硬質(zhì)基體表面上，該涂層包括一梯度膜層，其特征在于該梯度膜層為一 &YCN層，該梯度膜層中N原子及C原子的個(gè)數(shù)含量由靠近該硬質(zhì)基體至遠(yuǎn)離該硬質(zhì)基體的方向呈梯度增加。
2.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于該梯度膜層的厚度為0.7 2. 5 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的涂層，其特征在于該涂層還包括一形成于該梯度膜層上的顏色層。
4.一種被覆件，包括一硬質(zhì)基體及形成在該硬質(zhì)基體上的一涂層，該涂層包括形成于該硬質(zhì)基體上的一梯度膜層，其特征在于該梯度膜層為一&YCN層，該梯度膜層中N原子及C原子的個(gè)數(shù)含量由靠近該硬質(zhì)基體至遠(yuǎn)離該硬質(zhì)基體的方向呈梯度增加。
5.如權(quán)利要求4所述的被覆件，其特征在于該梯度膜層的厚度為0.7 2. 5 μ m。
6.如權(quán)利要求4所述的被覆件，其特征在于該被覆件還包括一形成于硬質(zhì)基體與涂層之間的結(jié)合層，該結(jié)合層為一 ττ層，其厚度為50 300nm。
7.一種被覆件的制備方法，包括以下步驟提供一硬質(zhì)基體；在該硬質(zhì)基體的表面磁控濺射一梯度膜層，該梯度膜層為一 &YCN層，該梯度膜層中N 原子及C原子的個(gè)數(shù)含量由靠近該硬質(zhì)基體至遠(yuǎn)離該硬質(zhì)基體的方向呈梯度增加。
8.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制備方法，其特征在于磁控濺射所述梯度膜層時(shí)， 以鋯釔復(fù)合靶為靶材，以氮?dú)饧耙胰矚怏w為反應(yīng)性氣體，所述氮?dú)獾某跏剂髁繛?0 20sCCm，所述乙炔氣體的初始流量為5 15sCCm ；每沉積15min將氮?dú)饧耙胰矚怏w的流量分別增大15 20sccm，沉積時(shí)間為45 150min。
9.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制備方法，其特征在于該被覆件的制備方法還包括在形成梯度膜層前在硬質(zhì)基體上濺射一結(jié)合層的步驟。
10.如權(quán)利要求9所述的被覆件的制備方法，其特征在于形成該結(jié)合層的工藝參數(shù)為采用鋯釔復(fù)合靶材，通入氬氣流量為100 200SCCm，濺射溫度為150 400°C，對(duì)硬質(zhì)基體施加的偏壓為-100 -250V，濺射時(shí)間為5 lOmin。
全文摘要
本發(fā)明提供一種涂層，該涂層包括一ZrYCN梯度膜層。該涂層具有較高的硬度、良好的高溫抗氧化性及耐磨性。本發(fā)明還提供一種具有上述涂層的被覆件。該被覆件包括一硬質(zhì)基體及形成在該硬質(zhì)基體上的一所述涂層。另外，本發(fā)明還提供了上述被覆件的制備方法。
文檔編號(hào)C23C14/35GK102373410SQ20101025431
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2010年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月16日
發(fā)明者張新倍, 胡智杰, 蔣煥梧, 陳文榮, 陳正士 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司