專利名稱：SiCN/TiCN多層膜刀具涂層及其制備方法
SiCN/TiCN多層膜刀具涂層及其制備方法技術領域
本發明屬于機械切削刀具制造技術領域，特別涉及一種SiCN/TiCN多層膜刀具涂層及其制備方法。
背景技術：
在金屬刀具表面沉積硬質涂層可以提高刀具的使用性能，降低加工成本，提高加工效率和質量，延長刀具使用壽命。目前常見的刀具涂層采用TiN、TiCN、TiAlN、CrN和DLC 等，包括它們的單層或多層復合結構涂層。隨著現代加工技術的發展，特別是高速高精度數控機床加工向以車代磨、以銑代磨、以鉆代鉸的方向發展，對刀具涂層在切削性能、硬度、抗氧化性能和表面光潔度等方面提出了更高的要求。
SiCN薄膜是在碳氮二元薄膜基礎上發展起來的一種三元薄膜，研究表明SiCN薄膜具有很高的硬度。采用磁控濺射制備的SiCN薄膜硬度可達到30GPa[S.L.Ma，B. Xu, G. Z. ffu, et al.，Surf. Coat. Technol. 202 (2008) 5379-5382.]，甚至達到 40GPa[J. Vlcek, M. Kormunda, J. Cl zek, et a]., Diamond Relat. Mater. 12(2003) 1287-1294]。SiCN 薄膜的另一大優點是可以得到相對光滑的表面，通過選擇合適工藝和優化參數可以得到很低的表面粗糙度。J. V15ek等采用直流磁控濺射技術制備了 I. 0-1.5 iim厚的SiCN 薄膜，其表面粗糙度小于 0. 8nm[J. Vlcek, M. Kormunda, J. Cl zek, et al. , Surf. Coat. Technol. 160 (2002) 74-81]，高鵬等人采用微波電子磁旋共振技術在Si (100) /Al2O3表面制備了厚度約為I. 8nm的SiCN薄膜，測得薄膜的表面粗糙度僅為0. 094nm[Gao Peng,Xu Jun, Ding Wanyu, et al. , Chin. Phys. Lett. 26 (2009) 065203. ] SiCN 薄膜的摩擦系數在一定范圍內可調，碳含量較高時，摩擦系數較低。因硅和氮元素的存在，SiCN薄膜具有良好的耐高溫氧化性能。
SiCN涂層脆性較大，并且厚度增加后內應力也隨之提高，因此如果作為刀具單一涂層使用必然存在弱點。將兩種或兩種以上不同材料相互交替沉積形成的多層涂層結構， 可以實現不同材料性能優勢互補，提高涂層的綜合性能；也可以改善涂層結構，實現單一涂層難以達到的特殊性能，能滿足一些特殊應用的需求。TiCN涂層是在TiN和TiC基礎上發展起來的一種刀具涂層，它具有較高的硬度與耐磨性，通過調制C、N和Ti的成分，可以降低涂層內應力，提高韌性，阻止裂紋擴展，減少崩刃。因此將SiCN涂層和TiCN涂層結合使用， 可以優勢互補，克服單一涂層的缺點。發明內容
針對上述問題，本發明旨在提供一種具有低摩擦、高硬度、抗氧化和表面光潔度良好的SiCN/TiCN多層膜刀具涂層及其制備方法。
為實現上述目的，本發明采取以下技術方案一種SiCN/TiCN多層膜刀具涂層，其特征是在刀具基體的基礎上，依次交替沉積TiCN層和SiCN層，緊貼刀具基體的是TiCN 層，取外層是SiCN層。
每一 TiCN層和SiCN層的厚度可根據具體要求確定。
TiCN層和SiCN層交替沉積的次數可根據具體要求確定。
SiCN和TiCN中，各元素百分含量也可根據需要調整。
選擇的刀具基體為硬質合金材料。
一種制備SiCN/TiCN多層膜刀具涂層的方法，包括以下步驟
a.預處理對刀具基體進行清洗，去除表面的油污及其他附著物，吹干后放入鍍膜機中，抽真空至預先設定的真空度。
b.濺射清洗用離子清洗刀具基體表面。
c.沉積TiCN層利用氣相沉積方法沉積TiCN層，通過控制沉積參數控制TiCN層厚度。
d.沉積SiCN層利用氣相沉積方法沉積SiCN層，通過控制沉積參數控制SiCN層厚度。
e.重復C、d步驟，最外層為SiCN層。
f.后處理根據需要對沉積的涂層進行原位退火或在一定真空度下自然冷卻至室溫。
g.關閉真空設備，涂層沉積完成。
本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1、本發明以SiCN和TiCN為涂層主要組分，SiCN和TiCN交替沉積鍍層。在刀具基體的基礎上，緊貼基體的鍍層為TiCN， 在TiCN基礎上鍍層SiCN，以后依次按TiCN和SiCN交替沉積，最外層為SiCN。本發明沉積出的多層涂層綜合特性好。2、本發明多層刀具涂層充分結合了 SiCN和TiCN薄膜各自的特點，TiCN層作為最內層，可以提高涂層與刀具基體的結合力。SiCN薄膜具有低摩擦、高硬度、抗氧化和高表面光潔度等優點。本發明將兩種薄膜結合起來應用，會大大提高涂層刀具切削質量和使用壽命。3、本發明還提供了一種工藝相對簡單、適合產業化生產的實際涂層方法，具有涂層性能穩定的特點，對于各種類型的切削刀具有廣泛的應用價值。并且這種涂層制備方法具有很強的靈活性，涂層各參數(包括成分種類和含量，膜層厚度，交替沉積次數等)可以方便調節。4、本發明通過氣相沉積技術在刀具表面沉積SiCN和TiCN組成的多層復合結構涂層，從而有助于獲得低摩擦、高硬度、耐氧化和高表面光潔度等特點。


附圖I是本發明的SiCN/TiCN多層刀具涂層的涂層結構示意圖；其中，I-刀具基體，2-TiCN 層，3-SiCN 層。
具體實施方式
以下結合說明書附圖和實施例對本發明作進一步描述。
參照附圖1，本發明SiCN/TiCN多層膜刀具涂層選擇硬質合金刀具為基體，在刀具基體I的基礎上，先沉積一層TiCN層2，然后再沉積一層SiCN層3，以后依次是交替沉積 TiCN層2和SiCN層3，形成多層結構，最外層是SiCN層3。
定義每相鄰單層TiCN和單層SiCN厚度之和為多層膜涂層的調制周期；定義每單層TiCN和單層SiCN厚度之比為多層膜涂層的調制比。調制周期和調制比都可變，調制周期既可以是單周期，也可以是多周期，調制周期和調制比的數值可根據對涂層性能的要求進行調節。SiCN/TiCN涂層的總厚度可根據具體要求和具體的沉積設備確定。為保證基體材料與涂層的結合強度，SiCN/TiCN涂層最內層為TiCN層，然后再沉積SiCN，隨后交替進行沉積。
SiCN和TiCN中，各元素百分含量也可根據需要調整。
制備SiCN/TiCN多層膜刀具涂層的方法大體經過預處理、濺射清洗、交替沉積 TiCN和SiCN的過程，一個SiCN/TiCN多層膜刀具涂層的制備實施例為
a.預處理將刀具基體依次用去離子水，酒精和丙酮中分別超聲清洗20分鐘，去除表面的油污及其他附著物，用電吹風吹干后迅速放入離子束輔助沉積鍍膜設備中，抽真空至4. OX KT4Pa (預設值)，本實施例所用離子束輔助沉積鍍膜設備包括2個濺射離子源 (考夫曼離子源)和I個輔助離子源(考夫曼離子源)；
b.濺射清洗利用Ar為工作氣體，用輔助離子源產生的Ar離子清洗刀具基體表面(輔助離子源的屏極電壓為800eV,束流為60mA,轟擊時間為20min)；
c.沉積TiCN層利用Ar為濺射離子源的工作氣體，其中一個濺射源發出Ar離子轟擊純Ti靶，另一個濺射源發出Ar離子轟擊純石墨靶，輔助離子源發出N離子轟擊刀具表面，在刀具基體表面沉積TiCN層(濺射離子源的屏極電壓為2500eV，束流為70mA ;輔助離子源的屏極電壓為300eV，束流為35mA ;沉積時間為IOmin)，TiCN層的厚度通過濺射離子源的參數控制；
d.沉積SiCN層利用Ar為濺射離子源的工作氣體，其中一個濺射源發出Ar離子轟擊純Si靶，另一個濺射源發出Ar離子轟擊純石墨靶，輔助離子源發出N離子轟擊刀具表面，在刀具基體表面沉積SiCN層(濺射離子源的屏極電壓為2500eV，束流為70mA ;輔助離子源的屏極電壓為300eV，束流為35mA ;沉積時間為30min)，SiCN層的厚度通過濺射離子源的參數控制；
e.重復C、d步驟7次，確保最外層為SiCN層；
f.保持真空，可根據需要對沉積的涂層進行原位退火或在一定真空度下自然冷卻至室溫;
g.關閉真空設備，涂層沉積完成，取出成品。
本實施例沉積出的SiCN/TiCN涂層為非晶-納米晶結構，SiCN層中硅主要以Si-N 鍵存在，碳主要以Sp2鍵形式存在，同時存在部分Sp3鍵。TiCN層含有氮化鈦(TiN)和碳化鈦 (TiC)等化合物以及金屬鈦等。該涂層納米硬度大于20GPa。涂層表面粗糙度Ra為290nm， 比原始刀具的表面粗糙度降低了約70nm。上述參數情況下的整個涂層的厚度為1.2pm。 但是上述實施例僅用于說明本發明，凡是在本發明技術方案的基礎上進行的等同變換和改進，均不應排除在本發明的保護范圍之外。
本發明在硬質合金刀具表面采用氣相沉積方法制得的SiCN/TiCN多層膜刀具涂層，充分結合了 SiCN和TiCN薄膜的優點，實現了一種涂層多功能化，即具備低摩擦、高硬度和抗氧化等特點，同時顯著降低了刀具表面粗糙度。將這類薄膜沉積在各種金屬切削刀具上，特別適合有色金屬的切削加工。
權利要求
1.一種SiCN/TiCN多層膜刀具涂層，其特征在于在刀具基體上，依次交替沉積TiCN 層和SiCN層，緊貼刀具基體的是TiCN層，最外層為SiCN層。
2.根據權利要求I所述的SiCN/TiCN多層膜刀具涂層，其特征在于采用氣相沉積法沉積所述TiCN層和SiCN層。
3.根據權利要求I所述的SiCN/TiCN多層膜刀具涂層，其特征在于所述的SiCN層和 TiCN層中，各元素百分比含量可變。
4.根據權利要求2所述的SiCN/TiCN多層膜刀具涂層，其特征在于所述的SiCN層和 TiCN層中，各元素百分比含量可變。
5.根據權利要求I或2或3或4所述的SiCN/TiCN多層膜刀具涂層，其特征在于每一單TiCN層和SiCN層的厚度可根據具體要求確定。
6.根據權利要求I或2或3或4所述的SiCN/TiCN多層膜刀具涂層，其特征在于=TiCN 層和SiCN層交替沉積的次數可根據具體要求確定。
7.根據權利要求5所述的SiCN/TiCN多層膜刀具涂層，其特征在于=TiCN層和SiCN層交替沉積的次數可根據具體要求確定。
8.根據權利要求I或2或3或4或7所述的SiCN/TiCN多層膜刀具涂層，其特征在于 刀具基體為硬質合金材料。
9.一種如權利要求I 8之一所述SiCN/TiCN多層膜刀具涂層的制備方法，其特征在于，包括以下步驟a.預處理對刀具基體進行清洗，去除表面的油污及其他附著物，吹干后放入鍍膜機中，抽真空至預先設定的真空度；b.濺射清洗用離子清洗刀具基體表面；c.沉積TiCN層利用氣相沉積方法沉積TiCN層，通過控制沉積參數控制TiCN層厚度；d.沉積SiCN層利用氣相沉積方法沉積SiCN層，通過控制沉積參數控制SiCN層厚度；e.重復c、d步驟，最后保證最外層為SiCN層；f.后處理根據需要對沉積的涂層進行原位退火或在一定真空度下自然冷卻至室溫；g.關閉真空設備，涂層沉積完成。
全文摘要
本發明公開了一種SiCN/TiCN多層膜刀具涂層及其制備方法。本發明所述的SiCN/TiCN多層膜刀具涂層由SiCN和TiCN交替沉積制備，涂層最外層為SiCN層，最內層為TiCN。這種多層膜涂層充分結合了SiCN和TiCN薄膜的優點，實現了一種涂層多功能化，即具備低摩擦、高硬度和抗氧化等特點，同時可顯著降低刀具表面粗糙度。本發明采用氣相沉積法獲得SiCN/TiCN多層膜刀具涂層，制備工藝相對簡單，適合產業化生產，所制備的涂層性能穩定，可用于不同類型的切削刀具。
文檔編號C23C14/06GK102534492SQ20121001027
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者邵天敏, 魏松波 申請人:清華大學