一種制備TiAlCrN多元涂層的裝置和方法
【專利摘要】本發(fā)明專利涉及TiAlCrN多元涂層，特指一種封閉場非平衡磁濺射法制備TiAlCrN多元涂層的裝置和利用裝置制備涂層的方法，其裝置的獨(dú)特之處在于包含四個磁控管，使磁力線可以從一個磁控管直接延伸到另一個磁控管，形成封閉的磁阱，可以有效阻止電子逃逸，從而提高濺射效率和離化率。
【專利說明】—種制備TiAICrN多元涂層的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利涉及TiAlCrN多元涂層，特指一種封閉場非平衡磁濺射法制備TiAlCrN多元涂層的裝置和方法，設(shè)計了一種先進(jìn)的封閉場非平衡磁濺射法制備TiAlCrN多元涂層的裝置，其涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度好，應(yīng)用于強(qiáng)切削時，刀具和高擠壓力模具上涂層不易剝落，還可以做復(fù)合及多層涂層。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代工業(yè)的進(jìn)步和金屬切削工藝的發(fā)展，尤其是高速切削、硬切削和干切削工藝的出現(xiàn)，對金屬切削刀具提出了越來越高的要求；切削刀具表面涂層技術(shù)是近幾十年應(yīng)市場需求發(fā)展起來的材料表面改性技術(shù)；超硬氮化物涂層既可有效延長切削刀具的使用壽命，又可以發(fā)揮其超硬、強(qiáng)韌、耐磨、自潤滑的優(yōu)勢，從而提高金屬切削刀具在現(xiàn)代加工過程中耐用度和適應(yīng)性。
[0003]在TiN涂層中加入Al元素，沉積的TiAlN涂層能顯著提高其抗腐蝕性能和工作溫度范圍，而TiAlN涂層在中加入Cr元素后，涂層表現(xiàn)出更好的高溫抗氧化性和耐磨性；因此，在硬質(zhì)合金刀具上沉積新型TiAlCrN涂層與沉積傳統(tǒng)的TiN、TiAlN涂層相比，具有更高的耐磨性、硬度、抗高溫氧化性以及高熱穩(wěn)定性的特點(diǎn)，特別適合于高速干切削，本發(fā)明設(shè)計了一種封閉場非平衡磁濺射法制備TiAlCrN多元涂層的裝置，有效地提高TiAlCrN多元涂層膜與基體結(jié)合強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明專利是在刀具基材表面采用封閉場非平衡磁控濺射離子鍍技術(shù)法制備TiAlCrN多元涂層，其裝置的獨(dú)特之處在于包含四個磁控管，使磁力線可以從一個磁控管直接延伸到另一個磁控管，形成封閉的磁阱，可以有效阻止電子逃逸，從而提高濺射效率和離化率，本發(fā)明裝置如圖1所示，主要由真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)四部分組成。
[0005]真空系統(tǒng)包括:真空室、靶材、樣品架、非平衡磁控管、碘鎢燈加熱裝置、機(jī)械泵和擴(kuò)散泵，機(jī)械泵和擴(kuò)散泵分別與真空室連接；用于安裝試樣的樣品架位于真空室中央；在鍍層沉積過程中試樣隨工件架旋轉(zhuǎn)，使涂層分布均勻；真空室爐壁上安裝有4個靶材:Ti靶、Cr靶、Al靶、Cr靶；4個靶材對稱分布；每個靶材上安裝有非平衡磁控管從而使得非平衡磁控管也對稱分布；碘鎢燈加熱裝置內(nèi)置在真空室底部。
[0006]第一級真空采用機(jī)械泵粗抽，第二級真空采用擴(kuò)散泵精抽，真空室內(nèi)置碘鎢燈加熱裝置，試樣安裝在真空室中央的樣品架上，在鍍層沉積過程中隨樣品架旋轉(zhuǎn)，使涂層分布均勻，真空室爐壁上安裝有4個靶材:Ti靶、Cr靶、Al靶、Cr靶，靶材上裝有非平衡磁控管，磁控管對稱分布，這使磁力線可以從一個磁控管直接延伸到另一個磁控管，以便產(chǎn)生閉合磁場，有效阻止電子逃逸，提高濺射效率和離化率。
[0007]電源系統(tǒng)分為兩部分:一部分為4個非平衡磁控管分別提供直流電壓的4個濺射電源，濺射電源與靶材連接；另一部分為試樣提供脈沖偏壓，與試樣連接。
[0008]控制系統(tǒng)包括:反應(yīng)氣體N2和保護(hù)氣體Ar通過流量控制計來引入真空室，調(diào)節(jié)流量來控制濺射氣壓，整個系統(tǒng)的運(yùn)行采用計算機(jī)軟件進(jìn)行控制；
冷卻系統(tǒng):為防止濺射導(dǎo)致的靶材溫度過高，靶材為空心通孔，類似于水管結(jié)構(gòu)，如圖5，空心通孔作為冷卻水槽，因此可以直接水冷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1封閉場非平衡磁濺射法制備TiAlCrN多元涂層的裝置圖。
[0010]1-碘鎢燈加熱裝置；2_磁控管；3-Ti靶；4_濺射電源；5_樣品架；6_Cr靶；7_真空室；8-Α1靶；9_偏壓電源；10-Cr靶 ；11_機(jī)械泵；12_擴(kuò)散泵；13_流量控制計；14_N2 ；15-Ar ； 16-冷卻水管。
[0011]圖2 TiAlCrN多元涂層表面形貌；Ca)低倍形貌；(b)高倍形貌。
[0012]圖3 TiAlCrN多元涂層EDS分析。
[0013]圖4 TiAlCrN多元涂層結(jié)合強(qiáng)度。
[0014]圖5靶材結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015](I)利用強(qiáng)磁鐵和軟鐵組成非平衡磁場，選用純度為99.99%的Ti靶、Al靶和Cr靶作為濺射靶材，規(guī)格為100 X 100mm，試樣經(jīng)80號~1200號砂紙和金相砂紙打磨，粒度為
2.5的金剛石拋光劑拋光至鏡面，再先后放入丙酮和酒精溶液超聲波清洗lOmin，除去基體表面雜質(zhì)和油脂；Cr靶和Cr靶、Ti靶和Al各自相對安裝在真空室爐壁上，試樣安放在樣品架上，在鍍層沉積過程中試樣隨工件架旋轉(zhuǎn)，設(shè)定工件架旋轉(zhuǎn)速度為20 r/ min，以使鍍層均勻。
[0016](2)利用兩級真空系統(tǒng):前級采用機(jī)械泵粗抽，后級采用擴(kuò)散泵精抽將系統(tǒng)的極限真空度為抽至5X 10_3Pa ;采用真空室內(nèi)置碘鎢燈裝置進(jìn)行加熱，襯底溫度控制在200°C，同時純度99.99%Ar氣體通過流量計引入濺射室，濺射氣壓可通過調(diào)節(jié)流量來控制，保持濺射氣壓0.5Pa，對試樣進(jìn)行輝光放電IOmin ;各濺射靶的脈沖電源選擇25kHz，0-3Α可調(diào)的電源，濺射靶材施加50-500V的電壓(濺射電源提供)，濺射爐體內(nèi)額定電壓為IOOV飛00V，額定功率為50kW (脈沖偏壓提供)。
[0017](3)磁控管對稱分布，這使磁力線可以從一個磁控管直接延伸到另一個磁控管，以便產(chǎn)生閉合磁場，有效阻止電子逃逸，提高濺射效率和離化率。
[0018](4)靶材表面的原子被Ar離子轟擊出來(即就是濺射)。原子呈電中性，可以直接沖出磁勢阱，不受磁場的約束，這些原子轟擊并沉積在工件表面形成致密的鍍層。
[0019](5)靶材表面濺射出電子，電子是呈電負(fù)性的亞原子微粒，會被磁勢阱俘獲，在磁勢阱內(nèi)被回旋加速，繼而轟擊這一區(qū)域的Ar原子，使電離出越來越多的Ar離子，濺射過程開始，就會產(chǎn)生越來越多的Ar離子，使輝光放電得以自持，濺射過程持續(xù)不斷。
[0020](6)大量高能粒子的轟擊會導(dǎo)致靶材和磁控管的溫度升高，靶材中加入了冷卻水槽，使靶材冷卻時可以得到循環(huán)冷卻。
[0021](7)通過封閉場非平衡磁濺射法裝置制備TiAlCrN涂層表面形貌如圖2所示，表面化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(mass，％):Ti 7.41, Al 18.57、Cr 20.54, N 34.32, C 9.74,0 7.09, Fe
0.15,Co 0.37,W 1.81，原子分?jǐn)?shù)(at，％):Ti 3.12、A1 13.87,Cr 7.96、N 49.39、C 16.35、0 8.94、Fe 0.05、Co 0.13、W 0.20，如圖3所示，其中Ca、K、Cl等元素為雜質(zhì)，其含量未顯示，C、O、Fe、Co、W等元素為刀具基體衍射峰。
[0022](8) TiAlCrN涂層具有較高的界面結(jié)合強(qiáng)度，用劃痕法測得其結(jié)合強(qiáng)度為87.6N，如圖4 所示。
【權(quán)利要求】
1.一種制備TiAlCrN多元涂層的裝置，主要由真空系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)四部分組成，真空系統(tǒng)包括:真空室、靶材、樣品架、非平衡磁控管、碘鎢燈加熱裝置、機(jī)械泵和擴(kuò)散泵；機(jī)械泵和擴(kuò)散泵分別與真空室連接，用于安裝試樣的樣品架位于真空室中央，在鍍層沉積過程中試樣隨工件架旋轉(zhuǎn)，使涂層分布均勻，碘鎢燈加熱裝置內(nèi)置在真空室底部；其特征在于:真空室爐壁上安裝有4個靶材:Ti靶、Cr靶、Al靶、Cr靶；4個靶材對稱分布；每個靶材上安裝有非平衡磁控管從而使得非平衡磁控管也對稱分布；使磁力線可以從一個磁控管直接延伸到另一個磁控管，以便產(chǎn)生閉合磁場，有效阻止電子逃逸，提高濺射效率和離化率。
2.如權(quán)利要求1所述的一種制備TiAlCrN多元涂層的裝置，其特征在于:電源系統(tǒng)分為兩部分:一部分為4個非平衡磁控管分別提供直流電壓的4個濺射電源，濺射電源與靶材連接；另一部分為試樣提供脈沖偏壓，與試樣連接。
3.如權(quán)利要求1所述的一種制備TiAlCrN多元涂層的裝置，其特征在于:控制系統(tǒng)包括反應(yīng)氣體N2、保護(hù)氣體Ar和流量控制計,反應(yīng)氣體N2和保護(hù)氣體Ar通過流量控制計來引入真空室，調(diào)節(jié)流量來控制濺射氣壓，整個系統(tǒng)的運(yùn)行采用計算機(jī)軟件進(jìn)行控制。
4.如權(quán)利要求1所述的一種制備TiAlCrN多元涂層的裝置，其特征在于:冷卻系統(tǒng)包含靶材，為防止濺射導(dǎo)致的靶材溫度過高，靶材為空心通孔，類似于水管結(jié)構(gòu)，空心通孔作為冷卻水槽，因此可以直接水冷。
5.利用如權(quán)利要求1所述的一種制備TiAlCrN多元涂層的裝置制備TiAlCrN多元涂層的的方法，其特征在于包括如下步驟: (1)利用強(qiáng)磁鐵和軟鐵組成非平衡磁場，選用純度為99.99%的Ti靶、Al靶和Cr靶作為濺射靶材，規(guī)格為IOOX 1 00mm，試樣經(jīng)80號~1200號砂紙和金相砂紙打磨，粒度為2.5的金剛石拋光劑拋光至鏡面，再先后放入丙酮和酒精溶液超聲波清洗lOmin，除去基體表面雜質(zhì)和油脂；Cr靶和Cr靶、Ti靶和Al各自相對安裝在真空室爐壁上，試樣安放在樣品架上，在鍍層沉積過程中試樣隨工件架旋轉(zhuǎn)，設(shè)定工件架旋轉(zhuǎn)速度為20 r/ min,以使鍍層均勻； (2)利用兩級真空系統(tǒng):前級采用機(jī)械泵粗抽，后級采用擴(kuò)散泵精抽將系統(tǒng)的極限真空度為抽至5X 10_3Pa ;采用真空室內(nèi)置碘鎢燈裝置進(jìn)行加熱，襯底溫度控制在200°C，同時純度99.99%Ar氣體通過流量計引入濺射室，濺射氣壓可通過調(diào)節(jié)流量來控制，保持濺射氣壓0.5Pa，對試樣進(jìn)行輝光放電IOmin ;各濺射靶的脈沖電源選擇25kHz，(T3A可調(diào)的電源，濺射靶材施加50-500V的電壓，濺射電源提供；濺射爐體內(nèi)額定電壓為IOOV飛00V，額定功率為50kW，脈沖偏壓提供； (3 )磁控管對稱分布，這使磁力線可以從一個磁控管直接延伸到另一個磁控管，以便產(chǎn)生閉合磁場，有效阻止電子逃逸，提高濺射效率和離化率； (4)靶材表面的原子被Ar離子轟擊出來形成濺射，原子呈電中性，可以直接沖出磁勢阱，不受磁場的約束，這些原子轟擊并沉積在工件表面形成致密的鍍層； (5)靶材表面濺射出電子，電子是呈電負(fù)性的亞原子微粒，會被磁勢阱俘獲，在磁勢阱內(nèi)被回旋加速，繼而轟擊這一區(qū)域的Ar原子，使電離出越來越多的Ar離子，濺射過程開始，就會產(chǎn)生越來越多的Ar離子，使輝光放電得以自持，濺射過程持續(xù)不斷； (6)大量高能粒子的轟擊會導(dǎo)致靶材和磁控管的溫度升高，靶材中加入了冷卻水槽，使靶材冷卻時可以得到循環(huán)冷卻。
【文檔編號】C23C14/35GK103981496SQ201410046151
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年2月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月10日
【發(fā)明者】孔德軍, 郭皓元, 王文昌, 付貴忠, 葉存冬, 王進(jìn)春 申請人:常州大學(xué)