一種多元復合納米硬質涂層及其制備方法與流程

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本發明屬于金屬表面涂層技術領域，具體涉及采用一種物理氣相沉積(PVD)技術對多元復合結構的納米硬質涂層的制備。

背景技術：

氣相沉積技術主要包括CVD(化學氣相沉積)和PVD(物理氣相沉積)，是當代真空技術和材料科學中最活躍的研究領域，也是目前刀具表面涂層技術的主流方向，它不僅可以用來制備各種特殊性能的薄膜涂層，而且還可以用來制備各種功能薄膜材料和裝飾薄膜涂層以及沉積各種各樣的化合物、非金屬、半導體、陶瓷、塑料膜等。PVD技術與CVD技術相比，其沉積溫度高；沉積速率快；沉積的涂層具有細微結構、抗裂紋擴展能力強；涂層表面光滑、摩擦系數低；涂層制備是在真空條件下，復合綠色制造的理念。目前PVD涂層已經擴展到了航空航天、機械加工、電子通訊、醫療器械、家電等行業，涂層類型也從最初的TiN、TiC單層涂層發展到了多層涂層、多元復合涂層、梯度涂層以及納米涂層等。

單層涂層在氣相沉積技術發展的前十幾年中一直被采用，典型的代表有TiC、TiN、Al₂O₃、CrN，其余的還有NbC、HfC、ZrC、ZrN、BN等。其中CrN涂層目前應用最為廣泛，是被譽為最能替代TiN涂層的材料之一，并且由于其耐磨性優良，其主要用于塑料膜、冷鐓沖頭等模具，又根據其良好的抗粘結性和化學穩定性切削軟材料如鈦合金，鈦、銅、鋁等。

多層涂層與單層涂層相比能夠有效的抑制粗大晶粒組織的生長，改善涂層組織狀況，發揮出各層不同涂層材料的優點，有效的提高產品性能。最常用的多層涂層是2種涂層組合或者層數在3～7層之間的多層復合涂層。

多元復合涂層是在單層涂層、多層涂層中加入如Cr、Zr、V、B、Hf等元素，能夠提高抗氧化性和抗磨損性，并大大改善涂層與基材之間的結合力。目前，最常用的是TiCN和TiAlN，其余還有TiSiN、TiBN、TiAlSi、TiAlCN等。

因此梯度涂層是對基材表面進行梯度化處理，使涂層基體表面一定深度區域形成碳化物和碳氮化物的韌性區，此區域的粘結劑含量一般高于涂層基體的名義粘結劑含量，當裂紋擴展到此區域時，由于此韌性區韌性優異，將有效的吸收裂紋擴展的能量，提高刀具的使用壽命。

納米涂層以高硬度、高耐熱性、相對較高的韌性以及在低成本和綠色加工的前提下有高的使用壽命等特點一經面世就引起了研究者的廣泛關注。其主要分為納米多層結構和納米復合結構涂層兩類。

技術實現要素：

本發明目的是提供一種用于切削刀具表面用多元復合納米硬質涂層，所述涂層包括至少兩層CrN和CrTiBN，其中CrN層的Cr與N的原子百分比為60:40至70:30，優選為67:33，CrTiBN層中各原子的百分比為Cr 10-25％、Ti 8-30％、B 14-29％、N 30-60％，優選為Cr20％、Ti19％、B19％和N42％。

優選地，所述涂層包括多層CrN和CrTiBN，優選為2-200層，優選為4-50層，更優選為2至4層，所述CrN層和CrTiBN層交替排列，優選最內層為CrN層，最外層為CrTiBN層。

優選地，所述涂層中CrN層厚度為0.3～0.35μm和CrTiBN層厚度為2.5～3μm，進一步優選地，所述CrN層厚度為0.33μm和CrTiBN層厚度為2.8μm。

優選地，包括所述CrN層和CrTiBN層的涂層的總厚度約為3～8μm。

根據本發明的包括所述CrN層和CrTiBN層的涂層的制備方法沒有特別限制，可以利用本領域常規的PVD沉積方法制備所述各層。優選地，可以按照以下方法制備：

本發明另一個目的是提供一種所述多元復合納米硬質涂層的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

步驟1)基材前處理：將基材放入清洗線超聲槽依次進行除油、除銹等工序，進行粗洗；然后粗洗后對基材進行噴砂處理；最后將基材放入清洗線進行超聲精洗，并烘干30min。

步驟2)將基材固定在轉架上，以3維方式轉動，等爐腔真空度達到8.0×10^-3Pa，溫度達到400℃時，開始運行PVD涂層處理。

步驟3)通入氬氣輝光40min后打開Cr靶進行Cr轟擊；30min后通入氮氣進行CrN層沉積，涂層時間10至20min，預計厚度0.3～0.35μm。

步驟4)打開Ti靶5min后再開B靶并保持Cr靶開啟狀態，沉積CrTiBN層40至60min，預計厚度2.5～3μm。

優選地，所述步驟3)和步驟4)可以交替進行多次，以交替形成多層CrN層和CrTiBN層。

所述步驟3)工藝參數為：真空度1.5Pa，氬氣輸入量20～25，氮氣輸入量240～250，偏壓150V，溫度380℃。

步驟4)工藝參數為：真空度1.6Pa，氬氣輸入量7～10，氮氣輸入量260～270，偏壓110V，溫度380℃。

有益效果

(1)涂層中B元素具有細化晶粒的作用，大幅提高了涂層硬度，并且對涂層抗高溫氧化性和抗化學反應性的提高也有一定作用。

(2)涂層中Cr、N元素的含量較多，大幅提高了涂層的抗高溫氧化性。

(3)涂層表面含有Ti和B元素，有效降低了涂層表面的摩擦系數，提高了耐磨性。

(4)涂層采用CrN打底、多層分布的結構分布，減小了涂層內應力和涂層內部裂紋擴展，提高了膜基結合力，增加了涂層產品的使用壽命。

根據本發明的包括所述CrN層和CrTiBN層的涂層有效解決高速干式切削刀具和熱作模具加工條件苛刻的問題，延長工具的使用壽命。

附圖說明

圖1為CrN/CrTiBN多元復合納米硬質涂層4層結構示意圖

圖2為CrN/CrTiBN多元復合納米硬質涂層制備過程流程圖

圖3為實施例1滾齒刀CrN/CrTiBN涂層產品外觀

圖4為實施例2鋁壓鑄模具CrN/CrTiBN涂層產品外觀

具體實施方式

根據本發明所述涂層中CrN層為過渡層，其可以提高膜基結合力；CrTiBN層內部內應力小、抗裂紋擴展能力強；并且涂層表面含有B元素，能夠有效降低摩擦系數、提高涂層抗摩擦磨損性。

根據本發明的所述包括所述CrN層和CrTiBN層的涂層中，在CrTiBN層中引入了B元素，并且B元素的原子百分比控制在14-29％的范圍內，優選為19％，本發明的發明人發現當在層中引入B元素并控制B元素的原子百分比在上述范圍內時，可以非常顯著的提高涂層的硬度和抗氧化溫度。當B 元素的原子百分比在上述范圍內時，則無法實現涂層硬度和抗氧化溫度的提高。

以下，將詳細地描述本發明。在進行描述之前，應當理解的是，在本說明書和所附的權利要求書中使用的術語不應解釋為限制于一般含義和字典含義，而應當在允許發明人適當定義術語以進行最佳解釋的原則的基礎上，根據與本發明的技術方面相應的含義和概念進行解釋。因此，這里提出的描述僅僅是出于舉例說明目的的優選實例，并非意圖限制本發明的范圍，從而應當理解的是，在不偏離本發明的精神和范圍的情況下，可以由其獲得其他等價方式或改進方式。

在描述之前，應當了解在說明書和所附權利要求中使用的術語，并不應解釋為局限于一般及辭典意義，而是應當基于允許發明人為最好的解釋而適當定義術語的原則，基于對應于本發明技術層面的意義及概念進行解釋。因此，在此的描述僅為說明目的的優選實例，而并非是意指限制本發明的范圍，因而應當了解的是，在不偏離本發明的精神和范圍下可以做出其他等同實施和修改。除非特別說明，以下實施例中使用的試劑和儀器均為市售可得產品。

實施例1：滾齒刀表面CrN/CrTiBN硬質涂層的制備

所述滾齒刀基材為用于加工外嚙合直齒和斜齒圓柱齒輪。

步驟1)基材前處理：將滾齒刀放入清洗線超聲槽依次進行除油、除銹等工序，進行粗洗；然后粗洗后對滾齒刀進行去毛刺，完成后進行噴砂處理；最后將滾齒刀放入清洗線進行超聲精洗，并烘干30min。

步驟2)將滾齒刀固定在轉架上，以3維方式轉動，等爐腔真空度達到8.0×10^-3Pa，溫度達到400℃時，開始運行PVD涂層處理。

步驟3)通入氬氣輝光40min后打開Cr靶進行Cr轟擊；30min后通入氮氣進行CrN層沉積，涂層時間15min，厚度0.33μm。

步驟4)打開Ti靶5min后再開B靶并保持Cr靶開啟狀態，沉積CrTiBN層45min，預計厚度2.8μm。

所述步驟3)工藝參數為：工藝參數為：真空度1.5Pa，氬氣輸入量20～25，氮氣輸入量240～250，偏壓150V；步驟4)工藝參數為：真空度1.6Pa，氬氣輸入量7～10，氮氣輸入量260～270，偏壓110V，溫度380℃。

獲得涂層硬度為65.7GPa，涂層厚度3.13μm。1000℃下切削操作條件下，滾齒刀使用壽命提高4.17倍。

實施例2：鋁壓鑄模具表面CrN/CrTiBN硬質涂層的制備

基材為鋁壓鑄模具，模具基材H13為鋼，經熱處理和離子氮化，工作溫度600℃。

除了將步驟3)和4)按順序重復一次以外，按照實施例1相同的方式在基材為鋁壓鑄模具表面上形成CrN/CrTiBN硬質涂層。

獲得涂層硬度為63.1GPa，涂層厚度6.5μm。