專利名稱：高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂層材料，特別涉及一種高硬度高彈性模量的CrAlN保護(hù)涂層 及其制備方法，屬于表面改性工程技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著金屬切削技術(shù)不斷向高速度、高精度方向的發(fā)展以及干切削技術(shù)的推廣， 對切削刀具材料的性能提出了越來越高的要求即要求具備高硬度、高彈性模量、低摩 擦系數(shù)等優(yōu)良力學(xué)性能和良好的抗高溫氧化性能，因而在切削刀具的基體上涂覆性能優(yōu) 良的涂層材料成為常用的改良切削刀具性能的方法。目前常用的TiN涂層的硬度約為23GPa，其抗氧化溫度約為500°C ； TiCN涂層 的硬度大于40GPa，但其抗高溫氧化溫度僅為400°C ；目前應(yīng)用前景最好的TiAlN涂層的 硬度為35GPa，其抗氧化溫度約為800°C。CrN涂層因具有高的硬度、優(yōu)良的耐磨性、低 的摩擦系數(shù)和殘余應(yīng)力以及耐蝕性等許多優(yōu)點(diǎn)而引起人們的重視，但CrN的抗氧化溫度 最高只有650°C，對于保護(hù)性的硬質(zhì)涂層而言，當(dāng)在高溫環(huán)境下工作時(shí)，熱穩(wěn)定性就顯得 尤為重要。CrAlN材料是在面心立方的CrN中加入Al后形成的亞穩(wěn)態(tài)三元固溶體，研究 表明，CrAlN涂層具有比CrN涂層更好的耐磨性、更高的硬度以及更好的熱穩(wěn)定性和機(jī) 械加工性能，其抗氧化溫度可以達(dá)到900°C以上。通過查文獻(xiàn)得知，目前CrAlN涂層已經(jīng)通過不同的物理氣相沉積方法成功地制 得一類是硬度較高但彈性模量較低，而且制備過程能耗大，如采用陰極弧蒸鍍獲得硬 度為37GPa的涂層、采用閉合非平衡磁控濺射(P-CFUBMS)獲得硬度為35GPa、彈性模 量為370GPa的涂層；另一類是不僅硬度、彈性模量較低，而且制備過程能耗也較大，如 采用RF磁控濺射獲得硬度為30GPa、彈性模量為303GPa的涂層，采用脈沖偏壓電弧離 子鍍獲得硬度為21.5GPa的涂層等。通過查新，檢索到如下有關(guān)制備CrAlN涂層的中國專利申請?zhí)枮?2104556.5的專利涉及一種硬質(zhì)涂層及其涂覆的工件和用其涂覆工件 的方法。該硬質(zhì)涂層主要含(Al，Cr)203混晶，鉻含量在5-50% at。用CVD或PVD 法在低于900°C，更好是低于500°C的溫度下沉積，可以獲得良好的抗氧化性能和加工性 能。申請?zhí)枮?00810109556.9的專利涉及一種用于切斷、切槽和車削螺紋的硬質(zhì)合 金刀片。該專利所述涂層包括不同Al/Ti比的兩個(gè)(TiAl)N層內(nèi)層AlyTLyN和外層 AlwTinN, y = 0.4-0.67，w = 0.15-0.35。外層為Ti/Al比率不同的交替結(jié)構(gòu)。具有高的 抵抗塑性形變和耐磨性，可用于潤滑條件下對鋼和不銹鋼進(jìn)行切斷、切槽和車削螺紋。申請?zhí)枮?00610045989.3的專利公開了一種在寬溫度范圍內(nèi)抗高溫腐蝕的CrN/ CrAlN防護(hù)涂層及其制備方法，其采用反應(yīng)共濺方式獲得內(nèi)層為CrN、外層為Al，且含 量呈梯度分布的CrAlN層，表層達(dá)到0·α 8Α1α82Ν。具有很好的抗熱腐蝕性能，可提高高 溫合金在較寬的溫度范圍內(nèi)抗氧化和熱腐蝕性能。
申請?zhí)枮?00680010263.4的專利涉及一種用于工具的多層硬質(zhì)材料涂層，其具 有多層構(gòu)造，至少包括一個(gè)(AlyCi^y)X層，X為N、C、B、O等元素之一，和(TizSi1J X。另外硬質(zhì)材料涂層包括至少一個(gè)疊層，所述疊層包括(AlCrTiSi)X混合層，接著是另 外的(TizSi1JX層，接著是另外的(AlCrTiSi)X混合層，接著是另外的(AlyCivy)X層。 包括4、8、12個(gè)疊層。該多層硬質(zhì)材料涂層具有高硬度、耐磨性和耐高溫氧化性，可用 于機(jī)械制造和模具制造的構(gòu)件、工具、切削工具、沖裁模具或者成型模具。上述現(xiàn)有的涂層材料均存在著硬度、抗氧化溫度以及沉積效率無法兼顧的問 題，具有硬度和彈性模量不夠高、抗高溫氧化性差、生產(chǎn)效率低、能耗大等缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高硬度、高彈性模量 和優(yōu)異抗高溫氧化性能的CrAlN保護(hù)涂層，其具有全面兼優(yōu)的性能，可作為高速干式切 削的刀具涂層和其他領(lǐng)域的保護(hù)涂層。本發(fā)明還提供了所述CrAlN保護(hù)涂層的制備方 法，具有生產(chǎn)效率高、能耗低、工藝簡單、對設(shè)備要求較低等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下一種高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層，沉積在基體上，其為兩層結(jié)構(gòu)，底層 是Cr過渡層，厚度為400-600nm，外層是CrAlN涂層，厚度為2.2-2.9 μ m。本發(fā)明所述的高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層的CrAlN涂層為面心立方結(jié) 構(gòu)，呈柱狀晶生長，該CrAlN涂層的成分為Cri_xAlxN，0.4<x<0.6 ；所述基體為金屬、硬 質(zhì)合金、陶瓷或塑料。本發(fā)明的另一技術(shù)方案為一種制備上述高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層的方法，其采用反應(yīng)濺射法制 備所述CrAlN保護(hù)涂層，方法步驟如下⑴清洗基體首先將經(jīng)拋光處理后的基體送入超聲波清洗機(jī)，在分析純的無水酒精和丙酮中 利用15-30kHz超聲波進(jìn)行清洗5-lOmin;然后進(jìn)行離子清洗，即將基體裝進(jìn)真空室，抽 真空到5 X IO 3Pa后通入Ar氣，維持真空度在2_4Pa，用中頻對基體進(jìn)行為時(shí)30min的離 子轟擊，功率為80-100W;(2)濺鍍底層的Cr過渡層將經(jīng)清洗后的基體放進(jìn)多靶磁控濺射儀，真空抽到3X10_3Pa，用直流或射頻的 方式轟擊Cr靶在基體表面上沉積厚度為400-600nm的Cr過渡層；濺鍍的工藝參數(shù)為Ar 氣流量l-30sccm;基體溫度200-300°C ；氣壓O.l-l.OPa ；濺射功率 100-140W ；時(shí)間l-5min ；靶基距5cm ；(3)濺鍍外層的CrAlN涂層將沉積了 Cr過渡層的基體放至CrAl合金靶前，用直流或射頻的方式轟擊CrAl 合金靶在Cr過渡層表面上沉積厚度為2.2-2.9 μ m的CrAlN涂層，該CrAlN涂層為面心立 方結(jié)構(gòu)，呈柱狀晶生長；濺鍍的工藝參數(shù)為Ar 氣流量10-50sccm，N2 氣流量l_30sccm，Ar/N2 流量比為 1-9 ；氣壓0.2-0.6Pa ；電源直流或射頻；時(shí)間90-140min ；靶基距5cm ；基體溫度 25-400 "C。 本發(fā)明所述制備高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層的方法中步驟(3)的八17^2流 量比為1-3 ；基體溫度為200-300°C。本發(fā)明所述高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層所取得的有益效果是，該涂層具 有高硬度、高彈性模量和優(yōu)異的抗高溫氧化性能，經(jīng)檢測，其硬度高達(dá)30GPa左右、彈 性模量達(dá)350GPa以上，并且制備過程具有生產(chǎn)效率高、能耗低、對設(shè)備要求較低等優(yōu) 點(diǎn)，本發(fā)明可用作為高速、干式切削的刀具涂層和其他領(lǐng)域中基體的保護(hù)涂層。


圖1是本發(fā)明的掃描電鏡斷面微觀結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的XRD圖譜。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。首先請參閱圖1由掃描電鏡所作的本發(fā)明的斷面微觀結(jié)構(gòu)圖，圖示高硬度高彈 性模量CrAlN保護(hù)涂層沉積在基體上，該基體為金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷或者塑料；所述 保護(hù)涂層為兩層結(jié)構(gòu)，其底層是Cr過渡層，厚度為400-600nm，外層是CrAlN涂層， 厚度為2-4μιη;該外層的CrAlN涂層的成分為CivxAlxN, 0.4<χ<0.6 ；經(jīng)X-射線物相 分析，見圖2，該CrAlN涂層為面心立方結(jié)構(gòu)，擇優(yōu)取向?yàn)?200)和(111)，呈柱狀晶生 長。本發(fā)明所述的高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層在多靶磁控濺射儀上采用反應(yīng) 濺射法進(jìn)行制備，其方法步驟及工藝參數(shù)如下(1)清洗基體首先將經(jīng)打磨鏡面拋光處理后的基體送入Μ308457超聲波清洗機(jī)，在分析純的 無水酒精和丙酮中利用15 30kHz超聲波進(jìn)行清洗5 IOmin ；然后進(jìn)行離子清洗， 即將基體裝進(jìn)真空室，抽真空到5X ICT3Pa后通入Ar氣，維持真空度在2_4Pa ；用中頻 (13.56Hz)對基體進(jìn)行為時(shí)30min的離子轟擊，功率為80-100W ；真空室的本底真空優(yōu)于 3 X IO-3Pao(2)濺鍍底層的Cr過渡層將經(jīng)過步驟(1)進(jìn)行清洗后的基體轉(zhuǎn)移放進(jìn)JGP-450型多靶磁控濺射儀的鍍膜 室，本底真空抽到3 X 10_3Pa，用直流或射頻的方式轟擊Cr靶在基體表面上沉積一層厚度 為400-600nm的Cr過渡層。濺鍍的工藝參數(shù)為Ar 氣流量l-30sccm;基體溫度200-300°C ；氣壓O.l-l.OPa ；濺射功率 100-140W ；時(shí)間l-5min ；靶基距5cm。(3)濺鍍外層的CrAlN涂層將經(jīng)過步驟(2)進(jìn)行Cr過渡層濺射沉積后的基體轉(zhuǎn)放至CrAl合金靶前，用直 流或射頻的方式轟擊CrAl合金靶在Cr過渡層表面上沉積一層厚度為2_4 μ m的CrAlN涂層，該CrAlN涂層為面心立方結(jié)構(gòu)，呈柱狀晶生長。濺鍍的工藝參數(shù)為采用純度99.5%的乂乂！^細(xì)^原子分?jǐn)?shù))合金靶(如Al5tlCr5tl合金靶)，直徑 為75mm ；采用Ar和N2的混合氣體，Ar氣流量10_50sccm，N2氣流量l_30sccm， Ar/風(fēng)流量比為0.5-9，其中優(yōu)選為0.5-3;氣壓0.2_0.6Pa ；電源直流或射頻，濺射 功率為100-140W;時(shí)間90-140min;靶基距5cm;基體溫度25_400°C，其中優(yōu)選 為 200-300 0C ο以下為制備本發(fā)明所述的高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層的幾個(gè)實(shí)施例，下 述內(nèi)容為各實(shí)施例在步驟(3)濺鍍外層的CrAlN涂層中的不同具體工藝參數(shù)及檢測結(jié)果， 其余的方法步驟與上述內(nèi)容相同。檢測在下列儀器設(shè)備上進(jìn)行EDAX能譜儀(EDS)分析成分；D/MAX 2550VB/PC型X射線衍射儀(XRD)測定物相組成；NANO Indenter G200型納米壓痕儀測量硬度和彈性模量。實(shí)施例1靶基距5cm ； Ar/N2 = 1 ；氣壓0.2Pa ；基體溫度300°C ；直流電源功率 118.8W。經(jīng)檢測，得到的CrAlN涂層厚度2.2 μ m，硬度34.8GPa，彈性模量434.3GPa ； 所得CrAlN涂層微觀形貌如圖1所示，圖2所示的XRD物相分析顯示該CrAlN涂層具有 面心立方的CrN結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2靶基距5cm ； Ar/N2 = 9 ；氣壓0.2Pa ；基體溫度300°C ；直流電源功率 118.8W。經(jīng)檢測，得到的CrAlN涂層厚度2.6 μ m，硬度30.6GPa，彈性模量420.3GPa ； 所得CrAlN涂層微觀形貌如圖1所示，圖2所示的XRD物相分析顯示該CrAlN涂層具有 面心立方的CrN結(jié)構(gòu)。實(shí)施例3靶基距5cm ； Ar/N2 = 1 ；氣壓0.4Pa ；基體溫度300°C ；直流電源功率 118.8W。經(jīng)檢測，得到的CrAlN涂層厚度2.5 μ m，硬度33.8GPa，彈性模量418.7GPa ； 所得CrAlN涂層微觀形貌如圖1所示，圖2所示的XRD物相分析顯示該CrAlN涂層具有 面心立方的CrN結(jié)構(gòu)。實(shí)施例4靶基距5cm ； Ar/N2 = 1 ；氣壓0.6Pa ；基體溫度300°C ；直流電源功率 118.8W。經(jīng)檢測，得到的CrAlN涂層厚度2.3 μ m，硬度28.3GPa，彈性模量364.8GPa ； 所得CrAlN涂層微觀形貌如圖1所示，圖2所示的XRD物相分析顯示該CrAlN涂層具有 面心立方的CrN結(jié)構(gòu)。實(shí)施例5靶基距5cm ； Ar/N2 = 1 ；氣壓0.2Pa ；基體溫度25°C (室溫)；直流電源功率118.8W。經(jīng)檢測，得到的CrAlN涂層厚度2.3 μ m，硬度29.2GPa，彈性模量380.6GPa ； 所得CrAlN涂層微觀形貌如圖1所示，圖2所示的XRD物相分析顯示該CrAlN涂層具有 面心立方 的CrN結(jié)構(gòu)。實(shí)施例6靶基距5cm ； Ar/N2 = 1 ；氣壓0.2Pa ；基體溫度400°C ；直流電源功率 118.8W。經(jīng)檢測，得到的CrAlN涂層厚度2.3 μ m，硬度30.7GPa，彈性模量408.6GPa ； 所得CrAlN涂層微觀形貌如圖1所示，圖2所示的XRD物相分析顯示該CrAlN涂層具有 面心立方的CrN結(jié)構(gòu)。實(shí)施例7靶基距5cm ； Ar/N2 = 3 ；氣壓0.2Pa ；基體溫度300°C射頻電源功率 250W。經(jīng)檢測，得到的CrAlN涂層厚度2.9 μ m，硬度38.9GPa，彈性模量343.7GPa ； 所得CrAlN涂層微觀形貌如圖1所示，圖2所示的XRD物相分析顯示該CrAlN涂層具有 面心立方的CrN結(jié)構(gòu)。上述具體實(shí)施例只是用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā) 明的精神和權(quán)利保護(hù)范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層，沉積在基體上，其特征在于所述涂 層為兩層結(jié)構(gòu)，其底層是Cr過渡層，厚度為400-600nm，外層是CrAlN涂層，厚度為 2.2-2.9 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層，其特征在于所述 CrAlN涂層的成分為Ci^xAlxN, 0.4《x《0.6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層，其特征在于所述 CrAlN涂層為面心立方結(jié)構(gòu)，呈柱狀晶生長。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層，其特征在于所述基 體為金屬、硬質(zhì)合金、陶瓷或塑料。
5.一種制備權(quán)利要求1所述的高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層的方法，其特征在 于該制備方法采用反應(yīng)濺射法制備所述CrAlN保護(hù)涂層，其方法步驟如下(1)清洗基體首先將經(jīng)拋光處理后的基體送入超聲波清洗機(jī)，在分析純的無水酒精和丙酮中利用 15-30kHz超聲波進(jìn)行清洗5-lOmin;然后進(jìn)行離子清洗，即將基體裝進(jìn)真空室，抽真空 到5 X IO 3Pa后通入Ar氣，維持真空度在2_4Pa，用中頻對基體進(jìn)行為時(shí)30min的離子轟 擊，功率為80-100W;(2)濺鍍底層的Cr過渡層將經(jīng)清洗后的基體放進(jìn)多靶磁控濺射儀，真空抽到3X10_3Pa，用直流或射頻的方式 轟擊Cr靶在基體表面上沉積厚度為400-600nm的Cr過渡層；濺鍍的工藝參數(shù)為Ar氣流量l-30sccm;基體溫度200-300°C ；氣壓O.l-l.OPa ；濺射功率 100-140W ；時(shí)間l-5min ；靶基距5cm ；(3)濺鍍外層的CrAlN涂層將沉積了 Cr過渡層的基體放至CrAl合金靶前，用直流或射頻的方式轟擊CrAl合金 靶在Cr過渡層表面上沉積厚度為2.2-2.9 μ m的CrAlN涂層，該CrAlN涂層為面心立方結(jié) 構(gòu)，呈柱狀晶生長；濺鍍的工藝參數(shù)為Ar氣流量10-50sccm，N2氣流量l_30sccm，Ar/N2流量比為1_9 ；氣壓 0.2-0.6Pa ；電源直流或射頻；時(shí)間90-140min ；靶基距5cm ；基體溫度 25-400 "C。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層的方法，其特征在 于所述步驟(3)中的八1"/^2流量比為1-3。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層的方法，其特征在 于所述步驟(3)中的基體溫度為200-300°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高硬度高彈性模量CrAlN保護(hù)涂層，沉積在基體上，其為兩層結(jié)構(gòu)，底層是Cr過渡層，厚度為400-600nm，外層是CrAlN涂層，為致密的陶瓷涂層，厚度為2.2-2.9μm；本發(fā)明還公開了該保護(hù)涂層的制備方法，其首先將基體作表面拋光處理，經(jīng)超聲波清洗和離子清洗后，再采用直流或射頻反應(yīng)濺射法在基體上先后濺鍍Cr過渡層和CrAlN涂層。本發(fā)明不但具有高達(dá)30GPa左右的硬度和350GPa以上的彈性模量，而且還具有高抗高溫氧化能力和優(yōu)良的耐腐蝕能力，可用作為高速、干式切削的刀具涂層和其他領(lǐng)域中基體的保護(hù)涂層，其制備方法具有工藝簡單、沉積速度快、成本低、結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號C23C14/06GK102011091SQ20101059741
公開日2011年4月13日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者劉平, 劉新寬, 李偉, 楊麗紅, 鄭康培, 陳小紅, 馬鳳倉 申請人:上海理工大學(xué)