專利名稱：多弧離子鍍鈦鋁鉻硅釔氮化物多組元超硬反應(yīng)膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多組元超硬反應(yīng)膜的制備方法，特別是多弧離子鍍多組元 超硬反應(yīng)膜的制備方法，比如鈦鋁鉻硅釔氮化物超硬反應(yīng)膜的制備方法，為 敘述方便，下文中用(TiAlCrSiY)N來表述鈦鋁鉻硅釔氮化物。
背景技術(shù)：
多弧離子鍍是一種設(shè)有多個(gè)可同時(shí)蒸發(fā)的陰極弧蒸發(fā)源的真空物理沉積技 術(shù)，具有沉積速度快、膜層組織致密、附著力強(qiáng)、均勻性好等顯著特點(diǎn)。該技術(shù) 適用于超硬膜的制備，并在TiN， (Ti，Al)N超硬膜的制備方面獲得成功的應(yīng)用。 (Ti，Al)N， (Ti,Cr)N， (Ti，Zr)N等超硬復(fù)合膜由于硬度高、摩擦系數(shù)小、耐熱 性強(qiáng)等各自特性而比TiN膜更具有開發(fā)應(yīng)用前景。研究和開發(fā)多元超硬反應(yīng)膜以 期更進(jìn)一步改善膜的綜合使用性能己成為該領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前，采用多弧離子鍍技術(shù)制備(TiAlCrSiY)N多組元超硬反應(yīng)膜的主要 困難在于三個(gè)方面其一，單元素金屬靶的組合控制及膜層的成分控制，其二， 膜與工件試樣的附著力，其三，膜的硬度。利用多弧離子鍍制備多元膜層，采用的一種簡單方法是同時(shí)使用幾種不同元 素的純單質(zhì)靶。在實(shí)際沉積過程中，可以采用平行放置、上下放置及交替放置等 方式。采用單元素耙多耙共用方法，可以通過分別調(diào)整各個(gè)靶的弧電流來控制各 元素的蒸發(fā)速率，以達(dá)到控制膜成分的目的。在制備(TiAlZr)N 、 (Ti,Al,Cr)N (Ti,Zr,Cr)N硬質(zhì)膜時(shí)，通常使用純的單元素耙(比如，純Ti，純Al，純Cr，純 Zr靶)進(jìn)行鍍膜組合及控制。但是，無論如何控制起弧電流，無論采用哪一種工件放置方式，實(shí)際上，都 難以保證真正的成分均勻分布。對于多個(gè)(3個(gè)及以上)組元的沉積，控制起來 會(huì)更加困難，同時(shí)有些元素也難以加工成靶材。此外，由于多個(gè)弧源同時(shí)工作， 容易導(dǎo)致工件試樣升溫過快，引起膜內(nèi)應(yīng)力增大，附著力迅速下降。對于Ti-A1-Cr合金耙材而言，由于元素之間可以形成固溶體或金屬間化 合物，因此對各元素的相對含量尚未有明確限定，而不同的成分配比往往導(dǎo) 致超硬反應(yīng)膜的沉積工藝、附著力、硬度、耐磨性等的差別，嚴(yán)重影響(TiAlCr)N多組元超硬反應(yīng)膜的性能，特別是影響膜的硬度和附著力，有時(shí)甚 至硬度可以低至HV1800—HV2000，而附著力低至50N以下。這些嚴(yán)重阻礙了 (TiAlCr)N作為超硬多元膜在刀具、機(jī)械加工等行業(yè)的應(yīng)用。而超硬反應(yīng)膜與高速鋼基體的附著力較差是一個(gè)普遍的問題，盡管在高 速鋼基體上采用多弧離子鍍技術(shù)制備的多組元超硬反應(yīng)膜，附著力一般能夠 達(dá)到30—70N，仍難以滿足作為刀具耐磨膜的需要。作為超硬反應(yīng)膜，硬度無疑是一項(xiàng)重要指標(biāo)。通常采用單元素靶多靶共用 方法獲得的(TiAlCr)N膜硬度可以在HV2000—2800之間，不僅硬度指標(biāo)偏低， 同時(shí)波動(dòng)范圍較大，難以保證穩(wěn)定性和可重復(fù)性。綜上所述，現(xiàn)有的(TiAlCrSiY)N多組元超硬反應(yīng)膜的制備技術(shù)方法存在下 列缺陷單元素金屬耙組合使用的難于控制導(dǎo)致的成分分布不均勻、質(zhì)量不穩(wěn) 定；附著力較差；膜的硬度偏低且不穩(wěn)定。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是提供一種多弧離子鍍鈦鋁鉻硅釔氮化物多組元超硬反應(yīng)膜的制 備方法。該方法確定了 Ti-Al-Cr-Si-Y多元合金靶中Ti、 Al、 Cr、 Si、 Y等元 素的成分變化范圍，使制備的鈦鋁鉻硅釔氮化物(TiAlCrSiY)N超硬膜具有附 著力強(qiáng)(2180N)、硬度高(2HV3200)等特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明提供的多弧離子鍍鈦鋁鉻硅釔氮化物多組元 超硬反應(yīng)膜的制備方法依次包括1、 沉積技術(shù)的確定及靶材成分的設(shè)計(jì)確定多弧離子鍍作為(TiAlCrSiY)N 超硬膜的制備技術(shù)、采用Ti-Al-Cr-Si-Y多組元合金作為陰極靶材，其合金成 分為Al質(zhì)量百分比為23~32%、 Cr質(zhì)量百分比為6.5~10%,并且Al和Cr的質(zhì) 量百分比之和在33%~38. 5%之間，Si質(zhì)量百分比為0. 15~0. 25%, Y質(zhì)量百分比 為0.1~0. 2%, Ti的質(zhì)量百分比為61~67%。2、 合金靶的制備采用高純海綿鈦(99.99°/。)、高純鋁(99.99%)和高純鉻 (99.99%)進(jìn)行三次真空熔煉，得到合金錠，然后按照多弧離子鍍設(shè)備所要求的靶材尺寸加工成陰極靶。3、 工件試樣的選擇與前處理選擇商用高速鋼作為工件試樣材料，在放入 鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對工件試樣進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用。4、 電弧源數(shù)量的確定選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積。 ——5、 沉積工藝的確定即為獲得多弧離子鍍(TiAlCrSiY)N超硬膜而采取的 鍍膜工藝，當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到lO，a、溫度達(dá)到260~300°C時(shí)沖入反應(yīng)氣體 N2，鍍膜室真空度達(dá)到(1.8 2.5)x10—1 Pa,開啟弧源，進(jìn)行離子轟擊清洗10分 鐘，轟擊偏壓從400V逐漸降低到250V，然后進(jìn)行(TiAlCrSiY)N超硬膜沉積， 鍍膜工藝參數(shù)為偏壓為150V、氮?dú)鈮毫?1.8 2.5)x10—1 Pa、弧電流保持在 60~65A、沉積時(shí)間50 70分鐘，然后進(jìn)行鍍后處理。6、 過渡層的獲得在沉積之前進(jìn)行10分鐘離子轟擊，獲得一個(gè)具有過渡成 分的薄層，過渡層厚度為0.2~0.3微米。7、 真空加熱處理包括工件試樣加熱和膜層烘烤，加熱方式采用電熱體烘 烤加熱，在工件試樣加熱時(shí)，升溫速度為3 5。C/分鐘，加熱時(shí)間為50 70分鐘， 然后達(dá)到280~300°C;沉積過程結(jié)束后，采用小電流、微加熱，對所沉積的 (TiAlCrSiY)N超硬膜進(jìn)行烘烤15分鐘，使真空室緩慢降溫，2小時(shí)后取出鍍膜 樣品。8、 工件試樣旋轉(zhuǎn)在工件試樣加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層加熱的整 個(gè)過程中一直保持工件試樣旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4~6轉(zhuǎn)/分鐘。本發(fā)明確定了多弧離子鍍作為(TiAlCrSiY)N超硬膜的制備技術(shù)，確定了 Ti-Al-Cr-Si-Y多組元合金陰極靶材的合金成分含量，避免了采用單元素靶多靶 共用方法分別控制純Ti靶、純A1靶，純Cr靶所帶來的工藝?yán)щy，特別是克服 了 Si， Y兩元素的添加和控制的困難。本發(fā)明確定了商用高速鋼(例如W18Cr4V) 作為工件試樣材料，并確定了工件試樣前處理工藝，從而明確了鍍膜工件試樣材 料并為膜層與工件試樣的良好附著性能提供實(shí)現(xiàn)的可能；確定了電弧源的數(shù)量及 配置方位，從而實(shí)現(xiàn)超硬膜成分分布均勻、質(zhì)量穩(wěn)定，同時(shí)，避免了工件試樣 升溫過快所引起的膜層內(nèi)應(yīng)力過大，保證了良好的附著力。本發(fā)明確定了 (TiAlCrSiY)N超硬膜的沉積工藝，從而保證了超硬膜的成分、質(zhì)量、可重復(fù)性， 保證了較高的膜層硬度。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:在W18Cr4V高速鋼上采用多弧離子鍍技術(shù)制備鈦鋁鉻硅釔氮化 物多組元超硬反應(yīng)膜，其制備方法是1、 沉積技術(shù)的確定及靶材成分的設(shè)計(jì)確定多弧離子鍍作為(TiAlCrSiY)N 超硬膜的制備技術(shù)、采用Ti-Al-Cr-Si-Y多組元合金作為陰極靶材，其合金成 分為Al質(zhì)量百分比為23.1%、 Cr質(zhì)量百分比為10%， Si質(zhì)量百分比為0. 15%, Y 質(zhì)量百分比為0. 2%， Ti的質(zhì)量百分比為66. 55%。2、 合金靶的制備采用高純海綿鈦(99.99%)、高純鋁(99.99%)和高純鉻 (99. 99%)進(jìn)行三次真空熔煉，得到合金錠，其成分為Ti-23.1Al-10Cr-0.15Si-0.2Y (wt%)，然后按照多弧離子鍍設(shè)備所要求的耙材尺寸加工成陰極耙。3、 工件試樣的選擇與前處理選擇W18Cr4V高速鋼材料做成厚度為5mm、 直徑為30mra的圓片作為工件試樣，在放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑 對工件試樣進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙 醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用。4、 電弧源數(shù)量的確定選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積。5、 沉積工藝的確定即為獲得多弧離子鍍(TiAlCrSiY)N超硬膜而采取的 鍍膜工藝，當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到8x10—3Pa、溫度達(dá)到280°C時(shí)沖入反應(yīng)氣體 N2，鍍膜室真空度達(dá)到2.0x10—1 Pa，開啟弧源，進(jìn)行離子轟擊清洗10分鐘，轟 擊偏壓從400V逐漸降低到250V，然后進(jìn)行(TiAlCrSiY)N超硬膜沉積，鍍膜工 藝參數(shù)為偏壓為150V、氮?dú)鈮毫?.0x10—'Pa、弧電流保持在60~62A、沉積時(shí) 間60分鐘，然后進(jìn)行鍍后處理。6、 過渡層的獲得在沉積之前進(jìn)行10分鐘離子轟擊，獲得一個(gè)具有過渡成 分的薄層，過渡層厚度為0. 2~0. 3微米，這對于提高膜層與工件試樣的附著強(qiáng)度 十分重要。
7、 真空加熱處理包括工件試樣加熱和膜層烘烤，在工件試樣加熱時(shí)，升 溫速度為4 5。C/分鐘，加熱時(shí)間為60分鐘，溫度達(dá)到280。C;沉積過程結(jié)束后， 采用小電流、微加熱，對所沉積的(TiAlCrSiY)N超硬膜進(jìn)行烘烤15分鐘，使 真空室緩慢降溫，2小時(shí)后取出鍍膜樣品。個(gè)過程中一直保持工件試樣旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4轉(zhuǎn)/分鐘。對使用上述方法制備的鍍膜樣品進(jìn)行測試，其膜層厚度為4微米，附著強(qiáng)度 為190N，硬度為HV3400。實(shí)施例2:在W18Cr4V高速鋼上采用多弧離子鍍技術(shù)制備鈦鋁鉻硅釔氮化 物多組元超硬反應(yīng)膜，其制備方法是1、 沉積技術(shù)的確定及靶材成分的設(shè)計(jì)確定多弧離子鍍作為(TiAlCrSiY)N 超硬膜的制備技術(shù)、采用Ti-Al-Cr-Si-Y多組元合金作為陰極靶材，其合金成 分為Al質(zhì)量百分比為31. 4%、 Cr質(zhì)量百分比為6. 7%， Si質(zhì)量百分比為0. 25%, Y質(zhì)量百分比為0. 1%， Ti的質(zhì)量百分比為61. 55%。2、 合金靶的制備采用高純海綿鈦(99.99%)、高純鋁(99.99%)和高純鉻 (99. 99%)進(jìn)行三次真空熔煉，得到合金錠，其成分為Ti-31.4Al-6.7Cr-0.25Si-0.1Y (wt%)，然后按照多弧離子鍍設(shè)備所要求的靶材尺寸加工成陰極耙。3、 工件試樣的選擇與前處理選擇W18Cr4V高速鋼材料做成厚度為5mm、 直徑為30mm的圓片作為工件試樣，在放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑 對工件試樣進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙 醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用。4、 電弧源數(shù)量的確定選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積。5、 沉積工藝的確定即為獲得多弧離子鍍(TiAlCrSiY)N超硬膜而采取的 鍍膜工藝，當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到8x10—3Pa、溫度達(dá)到2S0。C時(shí)沖入反應(yīng)氣體 N2，鍍膜室真空度達(dá)到2.0x10—1 Pa，開啟弧源，進(jìn)行離子轟擊清洗10分鐘，轟 擊偏壓從400V逐漸降低到250V，然后進(jìn)行(TiAlCrSiY)N超硬膜沉積，鍍膜工 藝參數(shù)為偏壓為150V、氮?dú)鈮毫?,0x10—'Pa、弧電流保持在62~65A、沉積時(shí) 間60分鐘，然后進(jìn)行鍍后處理。6、 過渡層的獲得在沉積之前進(jìn)行10分鐘離子轟擊，獲得一個(gè)具有過渡成 分的薄層，過渡層厚度為0. 2~0. 3微米，這對于提高膜層與工件試樣的附著強(qiáng)度 十分重要。 .7、 真空加熱處理包括工件試樣加熱和膜層烘烤，在工件試樣加熱時(shí)，升 溫速度為4~5°C /分鐘，加熱時(shí)間為60分鐘，溫度達(dá)到280。C;沉積過程結(jié)束后，采用小電流、微加熱，對所沉積的(TiAlCrSiY)N超硬膜進(jìn)行烘烤15分鐘，使 真空室緩慢降溫，2小時(shí)后取出鍍膜樣品。
8、工件試樣旋轉(zhuǎn)在工件試樣加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層加熱的整 個(gè)過程中一直保持工件試樣旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4轉(zhuǎn)/分鐘。對使用上述方法制備的鍍膜樣品進(jìn)行測試，其膜層厚度為4.2微米，附著強(qiáng) 度為185N，硬度為HV3500。
權(quán)利要求
1、一種多弧離子鍍鈦鋁鉻硅釔氮化物多組元超硬反應(yīng)膜的制備方法，其特征是本發(fā)明的方法依次包括(1)、沉積技術(shù)的確定及靶材成分的設(shè)計(jì)確定多弧離子鍍作為(TiAlCrSiY)N超硬膜的制備技術(shù)、采用Ti-Al-Cr-Si-Y多組元合金作為陰極靶材，其合金成分為Al質(zhì)量百分比為23～32％、Cr質(zhì)量百分比為6.5～10％，并且Al和Cr的質(zhì)量百分比之和在33％～38.5％之間，Si質(zhì)量百分比為0.15～0.25％，Y質(zhì)量百分比為0.1～0.2％，Ti的質(zhì)量百分比為61～67％；(2)、合金靶的制備采用高純海綿鈦(99.99％)、高純鋁(99.99％)和高純鉻(99.99％)進(jìn)行三次真空熔煉，得到合金錠，然后按照多弧離子鍍設(shè)備所要求的靶材尺寸加工成陰極靶；(3)、工件試樣的選擇與前處理選擇商用高速鋼作為工件試樣材料，在放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對工件試樣進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用；(4)、電弧源數(shù)量的確定選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積；(5)、沉積工藝的確定即為獲得多弧離子鍍(TiAlCrSiY)N超硬膜而采取的鍍膜工藝，當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到10-3Pa、溫度達(dá)到260～300℃時(shí)沖入反應(yīng)氣體N2，鍍膜室真空度達(dá)到(1.8～2.5)×10-1Pa，開啟弧源，進(jìn)行離子轟擊清洗10分鐘，轟擊偏壓從400V逐漸降低到250V，然后進(jìn)行(TiAlCrSiY)N超硬膜沉積，鍍膜工藝參數(shù)為偏壓為150V、氮?dú)鈮毫?1.8～2.5)×10-1Pa、弧電流保持在60～65A、沉積時(shí)間50～70分鐘，然后進(jìn)行鍍后處理；(6)、過渡層的獲得在沉積之前進(jìn)行10分鐘離子轟擊，獲得一個(gè)具有過渡成分的薄層，過渡層厚度為0.2～0.3微米；(7)、真空加熱處理包括工件試樣加熱和膜層烘烤，加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在工件試樣加熱時(shí)，升溫速度為3～5℃/分鐘，加熱時(shí)間為50～70分鐘，然后達(dá)到280～300℃；沉積過程結(jié)束后，采用小電流、微加熱，對所沉積的(TiAlCrSiY)N超硬膜進(jìn)行烘烤15分鐘，使真空室緩慢降溫，2小時(shí)后取出鍍膜樣品；(8)、工件試樣旋轉(zhuǎn)在工件試樣加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層加熱的整個(gè)過程中一直保持工件試樣旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4～6轉(zhuǎn)/分鐘。
全文摘要
一種多弧離子鍍鈦鋁鉻硅釔氮化物多組元超硬反應(yīng)膜的制備方法，依次包括1.沉積技術(shù)的確定及靶材成分的設(shè)計(jì)；2.合金靶的制備；3.工件試樣的選擇與前處理；4.電弧源數(shù)量的確定；5.沉積工藝的確定；6.過渡層的獲得；7.真空加熱處理；8.工件試樣旋轉(zhuǎn)。該方法確定了Ti-Al-Cr-Si-Y多元合金靶中Ti、Al、Cr、Si、Y等元素的成分變化范圍，使制備的鈦鋁鉻硅釔氮化物(TiAlCrSiY)N超硬膜具有附著力強(qiáng)(≥180N)、硬度高(≥HV3200)等特點(diǎn)。
文檔編號C23C14/54GK101230448SQ20081001030
公開日2008年7月30日 申請日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者鈞 張, 娜 彭, 麗 李, 闖 王, 郭文英 申請人:沈陽大學(xué)