高硬度TiSiBN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型硬質(zhì)保護(hù)涂層，特別涉及一種高硬度TiSiBN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層及其制備方法，應(yīng)用于刀具、模具等承受耐磨、沖擊等載荷零件作為保護(hù)性涂層，屬于材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對(duì)材料的表面性能提出了越來(lái)越高的要求，要求材料在保持一定韌性的同時(shí)，還要求材料表面具有較高的硬度、耐磨、耐腐蝕和耐高溫性能。在材料表面涂覆一定厚度的涂層是提高材料表面性能的一種有效途徑，其發(fā)展適應(yīng)了現(xiàn)代社會(huì)對(duì)材料服役性能的高技術(shù)要求，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車工業(yè)、地質(zhì)鉆探、模具工業(yè)等領(lǐng)域。尤其是隨著材料服役環(huán)境的日益惡化，對(duì)保護(hù)性涂層材料的性能也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的保護(hù)性涂層，如TiN、TiC、TiCN、CrN、TiAlN等涂層已逐漸不能滿足要求。
[0003]納米結(jié)構(gòu)涂層是近年來(lái)迅速發(fā)展的高性能新型涂層，該材料涂層的某一維尺度在10nm以下，具有良好的硬度、耐磨性、耐蝕性等性能，能夠使涂層刀具具有更高的切削性能和更長(zhǎng)的使用壽命。近年來(lái)，由于具有高硬度、高模量、高耐磨性以及優(yōu)異的抗高溫性能，基于界面相和基體相兩相組成的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層已成為先進(jìn)保護(hù)性涂層領(lǐng)域重要的發(fā)展方向，能夠滿足高速切削和干式切削的要求。
[0004]目前，通過(guò)查詢文獻(xiàn)可知，納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層已經(jīng)通過(guò)不同的物理氣相沉積方法成功制得，通過(guò)查新檢索到如下制備納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的相關(guān)專利:
[0005]申請(qǐng)?zhí)枮?00910193492的中國(guó)專利涉及一種TiN/(TiN+CrN)/CrAlN納米復(fù)合涂層及其制備方法。該納米復(fù)合多層涂層是在材質(zhì)為硬質(zhì)合金、高速鋼、耐熱模具鋼的工具或模具基體上，依次由過(guò)渡層TiN膜、(TiN+CrN)納米復(fù)合多層和CrAlN納米復(fù)合多層組成結(jié)構(gòu)為TiN/(TiN+CrN)/Ti (CN)多層金屬氮化物陶瓷涂層；其制備方法包括預(yù)加熱、表面清洗刻蝕、過(guò)渡層制備、(TiN+CrN)復(fù)合納米多層層制備和CrAlN納米復(fù)合多層制備等步驟。
[0006]申請(qǐng)?zhí)枮?01310331049的中國(guó)專利涉及一種釔改性碳氮化鉻鋁/氮化硅納米復(fù)合涂層及其沉積方法，其目的在于通過(guò)對(duì)碳氮化鉻鋁及氮化硅進(jìn)行納米復(fù)合設(shè)計(jì)，形成納米晶碳氮化鉻鋁植入非晶氮化硅的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，在提高涂層硬度的同時(shí)，兼顧涂層的韌性及涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)引入稀土元素Y以進(jìn)一步提高涂層的力學(xué)性能和高溫抗氧化性，涂層包括鉻鋁釔粘結(jié)層、氮化鉻鋁釔過(guò)渡層及納米復(fù)合層。
[0007]申請(qǐng)?zhí)枮?01410746556的中國(guó)專利涉及一種硬韌納米復(fù)合ZrAlCuN涂層及其制備方法。在金屬基體表面生成一層厚度為幾個(gè)微米的硬韌涂層，提高基體在沖擊載荷作用下抵抗磨損的能力，可作為刀具及模具表面涂層及耐沖蝕防護(hù)涂層。涂層為由過(guò)渡層和工作層組成的復(fù)合涂層，過(guò)渡層起到提高結(jié)合強(qiáng)度的作用，工作層是由氮化物、金屬單質(zhì)組成的納米復(fù)合涂層，金屬單質(zhì)與氮化物不互溶。制備方法為采用磁控濺射技術(shù)濺射Zr、Al、Cu元素，以N2為工作氣體，共沉積形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層。
[0008]申請(qǐng)?zhí)枮?01210011554的中國(guó)專利涉及一種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的V-Al-N硬質(zhì)涂層，成分表示為(VhAlx) N，其中，1-x為0.41?0.6，X為0.4?0.59，在保證較低摩擦系數(shù)的同時(shí)，能夠保證具有較高的硬度，特別適合作為刀具涂層。該發(fā)明還公開(kāi)了 V-Al-N硬質(zhì)涂層的制備方法，包括以下步驟:基體清洗；沉積涂層:在真空室中，將Al靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，通入Ar氣和隊(duì)氣，通過(guò)調(diào)節(jié)Al靶的功率和V靶的功率，在250°C?500°C和0.3Pa?1.0Pa條件下，對(duì)基體濺射沉積納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的V-Al-N硬質(zhì)涂層
[0009]申請(qǐng)?zhí)枮?01010176236的中國(guó)專利涉及一種納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物刀具涂層及其制備方法，刀具基體為WC/Co硬質(zhì)合金，涂層包含有過(guò)渡層的納米復(fù)合鈦鉻鋁硅氮化物涂層，其中含有鈦、鉻、鋁、硅和氮元素，晶粒大小在5?15nm，涂層厚度I?4 ym，涂層顯微硬度30GPa，高溫穩(wěn)定性達(dá)到1022°C以上，適用于高速條件下的高硬度鋼材料切削加工。
[0010]上述現(xiàn)有納米結(jié)構(gòu)涂層及其制備技術(shù)中，未曾見(jiàn)到能達(dá)到超過(guò)40GPa的超高硬度涂層，而且彈性模量也較低；此外，現(xiàn)有的制備技術(shù)在制備過(guò)程中能耗較大，效率較低，并且所使用的設(shè)備也有成本高、生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜等一系列缺陷，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高硬度、高耐磨性的TiSiBN納米復(fù)合保護(hù)性涂層，可作為高速切削刀具、模具等零件的涂層和其他領(lǐng)域裝備的保護(hù)涂層，并且其制備方法具有生產(chǎn)效率高、能耗低、工藝簡(jiǎn)單、無(wú)污染、對(duì)設(shè)備要求較低等優(yōu)點(diǎn)。
[0012]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是:
[0013]—種高硬度TiSiBN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層，沉積覆蓋在基體上，其特征在于，所述保護(hù)性涂層具有SiBN界面相包裹TiN納米等軸晶粒的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0014]進(jìn)一步地，所述TiN納米等軸晶粒的晶粒尺寸為5?10nm。
[0015]進(jìn)一步地，所述基體為金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷。
[0016]本發(fā)明的另一技術(shù)方案是:
[0017]—種上述高硬度TiSiBN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層的制備方法，其包括如下制備步驟:
[0018]⑴基體清洗
[0019]將經(jīng)打磨鏡面拋光處理后的基體在無(wú)水乙醇和丙酮中利用超聲波清洗5?1min ；
[0020]然后進(jìn)行離子清洗:將所述基體裝進(jìn)進(jìn)樣室，抽真空后開(kāi)Ar氣，維持真空度在2?4Pa，采用射頻電源對(duì)所述基體進(jìn)行30min的離子轟擊，功率為80?100W ；
[0021](2) TiB2過(guò)渡層制備
[0022]將步驟(I)處理后的基體送到濺射室進(jìn)行沉積TiB2S渡層，TiBjE材由射頻陰極控制，用射頻電源沉積5?8min，得到200?300nm的TiB2過(guò)渡層；
[0023](3) TiSiBN 層制備
[0024]利用TiSiB復(fù)合靶材在真空室內(nèi)進(jìn)行沉積TiSiBN層，真空室的本底真空度優(yōu)于5 X 10?, TiSiB復(fù)合靶材由射頻陰極控制，濺射氣氛采用Ar與隊(duì)的混合氣體，沉積氣壓為0.2?0.8Pa，濺射功率為280?400W，濺射時(shí)間為90?120min，靶基距為5cm，在步驟(2)制備的TiB2S渡層的表面沉積得到2?5 ym的TiSiBN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層。
[0025]進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，Ar氣流量為20?50sccm，％氣流量為5?20sccm，Ar/隊(duì)流量比的范圍為5?10。
[0026]進(jìn)一步地，所述步驟(I)中，超聲波的頻率為15?30kHz。
[0027]進(jìn)一步地，所述步驟(2)中，Ar氣流量為20?50sccm。
[0028]進(jìn)一步地，所述步驟(3)中，基體的溫度范圍為100°C?400°C。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0030]采用本發(fā)明所述工藝方法獲得的TiSiBN保護(hù)涂層由TiN基體相和SiBN界面相兩相組成，并且在涂層內(nèi)部形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，即SiBN界面相包裹晶粒尺寸為5?1nm的TiN納米等軸晶粒，在該納米復(fù)合結(jié)構(gòu)下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)難以開(kāi)展，因此，所述TiSiBN保護(hù)性涂層不但具有超過(guò)40GPa的高硬度，而且具有優(yōu)良的抗高溫氧化性和耐腐蝕能力，可作為高速干式切削刀具、模具等零件的涂層和其他領(lǐng)域承受磨損沖擊等高載荷裝備的保護(hù)性涂層；并且本發(fā)明所述制備方法具有工藝簡(jiǎn)單、沉積速度快、成本低等特點(diǎn)，生產(chǎn)效率高、能耗低、對(duì)設(shè)備要求較低。
【具體實(shí)施方式】
[0031]本發(fā)明所述高硬度TiSiBN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層沉積覆蓋在基體上，該基體為金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷；所述保護(hù)性涂層由TiN基體相和SiBN界面相組成，并且在該保護(hù)性涂層內(nèi)部形成SiBN界面相包裹TiN納米等軸晶粒的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，該TiN納米等軸晶粒的晶粒尺寸為5?1nm0
[0032]制備本發(fā)明所述的高硬度TiSiBN納米復(fù)合結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層所用的儀器分別為:<