專利名稱：鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備方法，特別是多弧離子鍍多組元硬 質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備方法，比如鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備方法。
背景技術(shù)：
多弧離子鍍是一種設(shè)有多個可同時蒸發(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、均勻性好等顯著特點。該技術(shù)適用于硬質(zhì)膜及 硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備，并在氮化鈦，氮化鈦鋁硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備方面獲得成功 的應(yīng)用。氮化鈦鋁，氮化鈦鉻，氮化鈦鋯等硬質(zhì)復(fù)合膜由于硬度高、摩擦系數(shù)小、耐 熱性強等各自特性而比氮化鈦膜更具有開發(fā)應(yīng)用前景。研究和開發(fā)多元硬質(zhì)反應(yīng)膜以期 更進一步改善膜的綜合使用性能已成為該領(lǐng)域的熱點。
目前，采用多弧離子鍍技術(shù)制備多組元硬質(zhì)反應(yīng)膜的主要缺點在于三個方面其 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使用幾種不同元素的純 單質(zhì)靶。在實際沉積過程中，可以采用平行放置、上下放置及交替放置等方式。采用單 元素靶多靶共用方法，可以通過分別調(diào)整各個靶的弧電流來控制各元素的蒸發(fā)速率，以 達到控制膜成分的目的。在制備氮化鈦鋁鋯、氮化鈦鋁鉻、氮化鈦鋯鉻硬質(zhì)膜時，通 常使用純的單元素靶(比如，純鈦，純鋁，純鉻，純鋯靶)進行鈹膜組合及控制。
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，實際上，都難以保 證真正的成分均勻分布。對于多個(3個及以上)組元的沉積，控制起來會更加困難， 同時有些元素也難以加工成靶材。同時，由于多個弧源同時工作，容易導(dǎo)致工件升溫過 快，引起膜內(nèi)應(yīng)力增大，附著力迅速下降。在高速鋼基體上采用多弧離子鍍技術(shù)制備 的多元硬質(zhì)反應(yīng)膜，附著力一般能夠達到30 100N，難以滿足作為刀具鍍覆膜層的需 要。
通常采用單元素靶多靶共用方法獲得的多組元硬質(zhì)反應(yīng)膜硬度可以在 HV2000 3000之間，不僅硬度指標偏低，同時波動范圍較大，難以保證穩(wěn)定性和可重復(fù) 性。
綜上所述，現(xiàn)有的多弧離子鍍技術(shù)多組元硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備技術(shù)方法存在下列缺 陷，B卩，單元素金屬靶組合使用的難于控制導(dǎo)致成分分布不均勻、質(zhì)量不穩(wěn)定、硬度和附著力不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備方法，該方 法確定Ti-Al-Zr合金靶中鈦、鋁、鋯等元素的成分變化范圍，確定沉積過程中的氬 氣和氮氣分壓，使制備的鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜具有附著力強(^200N)、 硬度高(2HV3600)等優(yōu)點。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的
一種鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜，采用多弧離子鍍制備，其制備方法依 次包括
1、 沉積技術(shù)的確定及靶材成分的設(shè)計確定多弧離子鍍作為鈦鋁鋯氮化物多組元
硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備技術(shù)、采用Ti-A1-Zr合金靶作為陰極靶材，其合金成分為鋁 質(zhì)量百分比為10~20%、鋯質(zhì)量百分比為10~30%，并且二者的質(zhì)量百分比之和在30%~40% 之間，其余為鈦，鈦的質(zhì)量百分比為60~70%。
2、 Ti-Al-Zr合金靶的制備所說的合金靶的制備，是指采用純度為99.99%的高純 海綿鈦、純度為99.99%的高純鋁、以及純度為99.99%的高純鈦鋯中間合金，進行三次 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、 工件的選擇與前處理選擇商用高速鋼作為工件材料，在放入鍍膜室進行鍍膜 前，使用金屬洗滌劑對工件進行常規(guī)去油、去污處理并進行表面拋光處理，最后用乙醇 進行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用。
4、 電弧源數(shù)量的確定選用兩個不同方位且成90度配置的Ti-Al-Zr合金靶弧源 同時起弧沉積，避免使用直接相對的兩個弧源。
5、 預(yù)轟擊工藝的確定指為獲得多弧離子鍍技術(shù)制備鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反 應(yīng)梯度膜而在沉積之前進行的離子轟擊工藝，當鍍膜室背底真空達到1(T帕、溫度達到 220~240°C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到1.8x10—1 ~2. 2x10—1巾白，開啟上述的兩個 弧源，保持弧電流在55 60安培，進行離子轟擊10分鐘，轟擊偏壓從350伏逐漸增加 到400伏。
6、 沉積工藝的確定指為獲得多弧離子鍍技術(shù)制備鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng) 梯度膜而采用的沉積工藝，鍍膜過程分為四個階段，第一步，將氬氣壓強保持在2. 0x10—1 帕，兩個Ti-A1-Zr合金靶的弧電流均置于55~60安培，工件偏壓為100~200伏，沉 積時間5分鐘；第二步，通入氮氣，使其分壓強達到0. 5x10—1巾白，同時調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.0xl(T1帕，兩個Ti-Al-Zr合金靶的弧電流均置于55~60 安培，工件偏壓為100~200伏，沉積時間10分鐘；第三步，增大氮氣流量，使其分壓 強達到1.5x10—1帕，同時調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.0xl(T帕，兩個 Ti-A1-Zr合金靶的弧電流均置于55~60安培，工件偏壓為100~200伏，沉積時間15 分鐘；第四步，降低氬氣流量至零，繼續(xù)增加氮氣流量，使其壓強達到2.5x10—1帕，兩 個Ti-Al-Zr合金靶的弧電流均置于55~60安培，工件偏壓為100~200伏，沉積時間 25分鐘。
7、 真空加熱處理包括工件加熱和膜層烘烤，加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在 工件加熱時，升溫速度不宜過快，最好3 5。C/分鐘，1小時后可以達到240 280。C;膜 層烘烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜進行后加 熱烘烤，宜于采用小電流30~50安培進行微加熱5~10分鐘。
8、 工件旋轉(zhuǎn)在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層加熱的整個過程中一直保 持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4~6轉(zhuǎn)/分鐘。
按照本發(fā)明所提出的鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備方法，可以獲得 鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜，該鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜附著力 強^200N、硬度高^HV3600。
同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明確定了多弧離子鍍技術(shù)作為制備鈦鋁鋯氮化物多組元硬 質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備技術(shù)，確定了 Ti-A1-Zr多組元合金陰極靶材的合金成分變化范圍 及具體取值方法，避免了采用單元素靶多靶共用方法分別控制純鈦靶、純鋁耙，純鋯耙 所帶來的工藝困難，既保證了膜層的可重復(fù)性，同時又明確了合金靶中各元素的添加量 的范圍。本發(fā)明確定了商用高速鋼作為工件材料，并確定了工件前處理工藝，從而明確 了鍍膜工件材料并為膜層/工件的良好附著性能提供實現(xiàn)的可能。本發(fā)明確定了電弧源 的數(shù)量及配置方位，從而實現(xiàn)超硬膜成分分布均勻、質(zhì)量穩(wěn)定，同時，避免了工件升 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)明確定了鈦鋁鋯氮化物 多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的沉積工藝，從而保證了超硬膜的成分、質(zhì)量、可重復(fù)性，以 及很高的附著力和硬度等性能。
具體實施例方式
實施例l
在W18Cr4V高速鋼上制備鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜，制備方法依次包
括
61、 沉積技術(shù)的確定及靶材成分的設(shè)計確定多弧離子鍍作為鈦鋁鋯氮化物多組元 硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備技術(shù)、采用Ti-Al-Zr多組元合金作為陰極耙材，合金成分為鋁 質(zhì)量百分比為20%、鋯質(zhì)量百分比為10%，其余為鈦，鈦的質(zhì)量百分比為70%。
2、 合金靶的制備采用純度為99.99%的高純海綿鈦、純度為99.99%的高純鋁、以 及純度為99.99%的高純鈦鋯中間合金，進行三次真空熔煉，得到合金錠，其成分為 Ti-20Al-10Zr (質(zhì)量百分數(shù))，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、 工件的選擇與前處理選用W18Cr4V高速鋼材料做成厚度為5mm、直徑為30咖 的圓片作為工件，使用金屬洗漆劑對工件進行常規(guī)去油、去污處理并進行表面拋光處理， 最后用乙醇進行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干，然后放入鍍膜室準備鍍膜。
4、 電弧源數(shù)量的確定鍍膜時使用兩個不同方位且成90度配置的弧源同時起弧。
5、 預(yù)轟擊工藝的確定指為獲得多弧離子鍍技術(shù)制備鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反 應(yīng)梯度膜而在沉積之前進行的離子轟擊工藝，當鍍膜室背底真空達到10—3帕、溫度達到 220。C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到1.8x10—1帕，開啟上述的兩個弧源，保持弧電 流在55~60安培，進行離子轟擊10分鐘，轟擊偏壓從350伏逐漸增加到400伏。
6、 沉積工藝的確定指為獲得多弧離子鍍技術(shù)制備鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng) 梯度膜而采用的沉積工藝，鍍膜過程分為四個階段，第一步，將氬氣壓強保持在2. 0x10—1 帕，兩個Ti-Al-Zr合金靶的弧電流均置于55 60安培，工件偏壓為150伏，沉積時間 5分鐘；第二步，通入氮氣，使其分壓強達到0.5x10—'帕，同時調(diào)整氬氣流量，使混合 氣體總壓強保持在2.0x10—1帕，兩個Ti-Al-Zr合金靶的弧電流均置于55~60安培， 工件偏壓為150伏，沉積時間10分鐘；第三步，增大氮氣流量，使其分壓強達到1. 5x10—1 帕，同時調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.0xl(T帕，兩個Ti-Al-Zr合金靶 的弧電流均置于55~60安培，工件偏壓為150伏，沉積時間15分鐘；第四步，降低氬 氣流量至零，繼續(xù)增加氮氣流量，使其壓強達到2.5x10—1帕，兩個Ti-Al-Zr合金靶 的弧電流均置于55~60安培，工件偏壓為150伏，沉積時間25分鐘。
7、 真空加熱處理包括工件加熱和膜層烘烤，加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在 工件加熱時，升溫速度不宜過快，保持在4。C/分鐘，1小時后可以達到260。C;膜層烘 烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜進行后加熱烘 烤，釆用小電流40安培進行微加熱10分鐘。
8、 工件旋轉(zhuǎn)在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層加熱的整個過程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為5轉(zhuǎn)/分鐘。
對使用上述方法制備的鍍膜樣品進行測試，其膜層厚度為4微米，附著力為〉200N， 硬度為HV3850。
實施例2
在W18Cr4V高速鋼上制備鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜，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)計確定多弧離子鍍作為鈦鋁鋯氮化物多組元 硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備技術(shù)、采用Ti-A1-Zr多組元合金作為陰極靶材，合金成分為鋁 質(zhì)量百分比為10%、鋯質(zhì)量百分比為30%，其余為鈦，鈦的質(zhì)量百分比為60%。
2、 合金靶的制備采用純度為99.99%的高純海綿鈦、純度為99.99%的高純鋁、以 及純度為99.99%的高純鈦鋯中間合金，進行三次真空熔煉，得到合金錠，其成分為 Ti-10A1-30Zr (質(zhì)量百分數(shù))，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、 工件的選擇與前處理選用W18Cr4V高速鋼材料做成厚度為5ram、直徑為30ram 的圓片作為工件，使用金屬洗滌劑對工件進行常規(guī)去油、去污處理并進行表面拋光處理， 最后用乙醇進行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干，然后放入鍍膜室準備鍍膜。
4、 電弧源數(shù)量的確定鍍膜時使用兩個不同方位且成90度配置的弧源同時起弧。
5、 預(yù)轟擊工藝的確定指為獲得多弧離子鍍技術(shù)制備鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反 應(yīng)梯度膜而在沉積之前進行的離子轟擊工藝，當鍍膜室背底真空達到10—3帕、溫度達到 240。C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到2.2x10—1帕，開啟上述的兩個弧源，保持弧電 流在55~60安培，進行離子轟擊10分鐘，轟擊偏壓從350伏逐漸增加到400伏。
6、 沉積工藝的確定指為獲得多弧離子鍍技術(shù)制備鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng) 梯度膜而采用的沉積工藝，鍍膜過程分為四個階段，第一步，將氬氣壓強保持在2. 0x10—1 帕，兩個Ti-A1-Zr合金靶的弧電流均置于55~60安培，工件偏壓為200伏，沉積時間 5分鐘；第二步，通入氮氣，使其分壓強達到0.5xl(T'帕，同時調(diào)整氬氣流量，使混合 氣體總壓強保持在2.0x10—1帕，兩個Ti-A1-Zr合金靶的弧電流均置于55 60安培， 工件偏壓為200伏，沉積時間10分鐘；第三步，增大氮氣流量，使其分壓強達到1. 5x10—1 帕，同時調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.0x10—1帕，兩個Ti-A1-Zr合金靶 的弧電流均置于55~60安培，工件偏壓為200伏，沉積時間15分鐘；第四步，降低氬 氣流量至零，繼續(xù)增加氮氣流量，使其壓強達到2.5x10—'帕，兩個Ti-Al-Zr合金靶的弧電流均置于55 60安培，工件偏壓為200伏，沉積時間25分鐘。
7、 真空加熱處理包括工件加熱和膜層烘烤，加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在 工件加熱時，升溫速度不宜過快，保持在4。C/分鐘左右，1小時后可以達到260。C;膜 層烘烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜進行后加 熱烘烤，采用電流40安培進行微加熱8分鐘。.
8、 工件旋轉(zhuǎn)在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層加熱的整個過程中一直保 持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為6轉(zhuǎn)/分鐘。
對使用上述方法制備的鍍膜樣品進行測試，其膜層厚度為3. 8微米，附著力為〉200N， 硬度為HV3830。
權(quán)利要求
1、一種鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備方法，其特征是一種鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度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)計確定多弧離子鍍作為鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備技術(shù)、采用Ti-Al-Zr合金靶作為陰極靶材，其合金成分為鋁質(zhì)量百分比為10～20％、鋯質(zhì)量百分比為10～30％，并且二者的質(zhì)量百分比之和在30％～40％之間，其余為鈦，鈦的質(zhì)量百分比為60～70％；(2)、Ti-Al-Zr合金靶的制備所說的合金靶的制備，是指采用純度為99.99％的高純海綿鈦、純度為99.99％的高純鋁、以及純度為99.99％的高純鈦鋯中間合金，進行三次真空熔煉，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)、工件的選擇與前處理選擇商用高速鋼作為工件材料，在放入鍍膜室進行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對工件進行常規(guī)去油、去污處理并進行表面拋光處理，最后用乙醇進行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用；(4)、電弧源數(shù)量的確定選用兩個不同方位且成90度配置的Ti-Al-Zr合金靶弧源同時起弧沉積，避免使用直接相對的兩個弧源；(5)、預(yù)轟擊工藝的確定指為獲得多弧離子鍍技術(shù)制備鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜而在沉積之前進行的離子轟擊工藝，當鍍膜室背底真空達到10-3帕、溫度達到220～240℃時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到1.8×10-1～2.2×10-1帕，開啟上述的兩個弧源，保持弧電流在55～60安培，進行離子轟擊10分鐘，轟擊偏壓從350伏逐漸增加到400伏；(6)、沉積工藝的確定指為獲得多弧離子鍍技術(shù)制備鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜而采用的沉積工藝，鍍膜過程分為四個階段，第一步，將氬氣壓強保持在2.0×10-1帕，兩個Ti-Al-Zr合金靶的弧電流均置于55～60安培，工件偏壓為100～200伏，沉積時間5分鐘；第二步，通入氮氣，使其分壓強達到0.5×10-1帕，同時調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.0×10-1帕，兩個Ti-Al-Zr合金靶的弧電流均置于55～60安培，工件偏壓為100～200伏，沉積時間10分鐘；第三步，增大氮氣流量，使其分壓強達到1.5×10-1帕，同時調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.0×10-1帕，兩個Ti-Al-Zr合金靶的弧電流均置于55～60安培，工件偏壓為100～200伏，沉積時間15分鐘；第四步，降低氬氣流量至零，繼續(xù)增加氮氣流量，使其壓強達到2.5×10-1帕，兩個Ti-Al-Zr合金靶的弧電流均置于55～60安培，工件偏壓為100～200伏，沉積時間25分鐘；(7)、真空加熱處理包括工件加熱和膜層烘烤，加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在工件加熱時，升溫速度不宜過快，最好3～5℃/分鐘，1小時后可以達到240～280℃；膜層烘烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜進行后加熱烘烤，宜于采用小電流30～50安培進行微加熱5～10分鐘；(8)、工件旋轉(zhuǎn)在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層加熱的整個過程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4～6轉(zhuǎn)/分鐘。
全文摘要
一種鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備方法，包括1.沉積技術(shù)的確定及靶材成分的設(shè)計；2.Ti-Al-Zr合金靶的制備；3.工件的選擇與前處理；4.電弧源數(shù)量的確定；5.預(yù)轟擊工藝的確定；6.沉積工藝的確定；7.真空加熱處理；8.工件旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明確定了Ti-Al-Zr合金靶中鈦、鋁、鋯等元素的成分變化范圍，確定沉積過程中的氬氣和氮氣分壓，使制備的鈦鋁鋯氮化物多組元硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜具有附著力強(≥200N)、硬度高(≥HV3600)的特點。
文檔編號C23C14/02GK101591766SQ20091001213
公開日2009年12月2日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者呂會敏, 崔貫英, 鈞 張, 麗 李, 葛敬魯, 董世柱 申請人:沈陽大學(xué)