高硬度和高耐磨性TiAlN/ZrSiN納米結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種新型保護(hù)性涂層，特別涉及一種具有TiAlN和ZrSiN交替沉積的高硬度和高耐磨性TiAlN/ZrSiN納米結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層，主要應(yīng)用在高承載、高耐磨的零件表面，從而提高零件的使用壽命。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，對材料的表面性能提出了越來越高的要求，要求材料表面具有較高的硬度、耐磨、耐腐蝕和耐高溫性能。在材料表面涂覆一層超硬涂層是提高材料表面性能的一種有效途徑，它的發(fā)展適應(yīng)了現(xiàn)代制造業(yè)對金屬切削刀具的高技術(shù)要求，可被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車工業(yè)、地質(zhì)鉆探、模具工業(yè)等領(lǐng)域。隨著高速切削、干式切削等先進(jìn)切削技術(shù)的不斷發(fā)展，對涂層的性能也提出了更高的要求，傳統(tǒng)的涂層，如TiN、TiCN,CrN、TiAlN涂層已逐漸不能滿足要求。
[0003]隨著納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，納米結(jié)構(gòu)涂層成為硬質(zhì)涂層材料的重要發(fā)展方向。所謂納米結(jié)構(gòu)涂層包括納米多層和納米復(fù)合兩種結(jié)構(gòu)。多層涂層是由兩種或兩種以上成分或結(jié)構(gòu)不同的材料在垂直于涂層表面方向上相互交替生長而形成的二維多層材料，對于兩種不同結(jié)構(gòu)或組成的多層涂層，每相鄰兩層形成一個基本單元，其厚度稱為調(diào)制周期，通常將調(diào)制周期小于10nm的多層涂層稱為納米多層涂層，研究表明，當(dāng)調(diào)制周期為特定的厚度時，納米多層涂層將呈現(xiàn)硬度異常升高的“超硬效應(yīng)”，使納米多層涂層具有高的力學(xué)性能。另外，作為一種二維復(fù)合材料，納米多層涂層可以充分利用每種材料的優(yōu)點(diǎn)，使其的綜合性能得到提升。因此，納米多層涂層是新型保護(hù)型硬質(zhì)涂層的重要發(fā)展方向。納米復(fù)合涂層是指由界面相包覆基體相的復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層，由于基體相的晶粒尺寸一般為幾至幾十納米，因此稱其為納米復(fù)合涂層，該涂層同樣具有超硬效應(yīng)，已成為超硬涂層領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。
[0004]通過查文獻(xiàn)得知，納米多層和納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層目前已經(jīng)通過多種方法成功制得，取得不少有益的成果，如 TiZrAlSi0N、AlTiN/AlCrN、TiAlZrN/CrN、AlN/Si3N4 等。通過查詢，檢索到如下有關(guān)制備納米結(jié)構(gòu)超硬涂層的中國專利:
[0005]申請?zhí)枮镃N201410170158的專利涉及一種TiZrAlS1N納米復(fù)合超硬涂層刀具及其制備方法，涂層刀具包括硬質(zhì)合金刀具本體，刀具本體上涂鍍TiZrAlS1N納米復(fù)合涂層，TiZrAlS1N涂層包括50-100納米厚金屬打底層Zr金屬層、100-200納米厚氮化物過渡層ZrN、1000-4000納米厚功能層TiZrAlS1N構(gòu)成，該納米復(fù)合涂層具有納米晶顆粒鑲嵌于非晶基體的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，納米顆粒為TiN和ZrN，而非晶基體包括A1203和Si3N4 ;所制備的TiZrAlS1N復(fù)合涂層具有硬度高、摩擦系數(shù)低、韌性和結(jié)合力強(qiáng)，優(yōu)異的抗高溫氧性等特點(diǎn)。
[0006]申請?zhí)枮镃N201210368027的專利涉及一種AlTiN-AlCrN超硬納米多層復(fù)合涂層滾齒刀及其制備方法。在滾齒刀采用電弧離子鍍技術(shù)生成由Cr、CrN, AlTiN/CrN、AlTiN/AlCrN依次構(gòu)成的納米復(fù)合涂層。該實(shí)用新型所制備的AlTiN/AlCrN涂層與高速鋼或者硬質(zhì)合金滾齒刀具有良好的結(jié)合力、良好的硬度和優(yōu)越的耐溫性能。
[0007]申請?zhí)枮镃N201410398736的專利涉及一種高硬度TiAlZrN/CrN納米多層涂層及其制備方法；所述納米多層涂層由多個TiAlZrN層和CrN層構(gòu)成，各TiAlZrN層和CrN層交替沉積在基體上形成納米量級多層結(jié)構(gòu)，其總厚度為2.4?5.8 μπι ;所述納米多層涂層的制備方法為首先將基體表面拋光處理，經(jīng)超聲波清洗和離子清洗后，再采用反應(yīng)濺射法在基體上交替濺射TiAlZrN層和CrN層。
[0008]申請?zhí)枮镃N200710135578的專利涉及一種納米結(jié)構(gòu)涂層及其制備方法，所述的AlN/Si3N4納米多層膜由AlN和Si3N4形成在金屬或陶瓷的基體上，為交替沉積納米量級的多層結(jié)構(gòu)，各層厚度范圍是:A1N層厚度為2.0-12nm，Si3N4層為0.4-12.0nm,總厚度為1.0到5.0微米。制備時，首先將金屬或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，然后通過在金屬或陶瓷的基體上采用純Al和Si靶進(jìn)行雙靶射頻反應(yīng)濺射方法交替沉積Si3N4層和AlN層，通入高純的Ar和N2，制取AlN/Si3N4納米多層膜。AlN/Si3N4多層膜的厚度通過增加多層膜的調(diào)制周期數(shù)獲得。
[0009]然而，在以往對于超硬涂層研究中，存在力學(xué)性能與涂層成本相矛盾的問題，有些涂層硬度等力學(xué)性能不高，不能滿足日益惡化的零件服役環(huán)境；而某些性能較好的涂層材料，制備工藝又相對復(fù)雜，從而造成涂層的生產(chǎn)成本增加。因此，開發(fā)出工藝簡單、生產(chǎn)成本低、具有高硬度、高耐磨性的納米結(jié)構(gòu)涂層材料及其制備技術(shù)現(xiàn)代材料表面工程領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0010]本實(shí)用新型的目的是針對上述問題，提供一種具有高硬度和高耐磨性的TiAlN/ZrSiN納米結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層。
[0011]為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用下述技術(shù)方案:
[0012]—種高硬度和高耐磨性TiAlN/ZrSiN納米結(jié)構(gòu)保護(hù)性涂層，該涂層沉積在基片上，基片為金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷，該涂層包括若干個交替沉積的TiAlN層和ZrSiN層。
[0013]在上述的涂層中，該涂層的總厚度為2.0-5.0ym0
[0014]在上述的涂層中，所述的ZrSiN層具有ZrN和SiNx兩相結(jié)構(gòu)。
[0015]在上述的涂層中，所述的ZrSiN層厚度小于1.6nm，且ZrSiN層在TiAlN層的模板作用下被轉(zhuǎn)化為面心立方結(jié)構(gòu)。
[0016]在上述的涂層中，該涂層最下方的TiAlN層沉積在TiN過渡層上。
[0017]上述的涂層的用以下方法制備，包括以下步驟:
[0018]步驟A、濺射TiAlN層:把需要濺射涂層的基片正對TiAl靶進(jìn)行反應(yīng)濺射；
[0019]步驟B、濺射ZrSiN層:完成步驟A后，轉(zhuǎn)動基片使基片正對ZrSi靶進(jìn)行反應(yīng)濺射；
[0020]步驟C、交替濺射:重復(fù)步驟A-B若干次，從而形成包括若干個交替沉積的TiAlN層和ZrSiN層的涂層。
[0021 ] 在上述的制備方法中，在步驟A中，TiAl靶的Ti含量為50at %，在步驟B中，ZrSi靶中的Si含量為16-32at%。
[0022]在上述的制備方法中，在步驟A中，基片在TiAl靶上方停留時間為16s，在步驟B中，基片在ZrSi靶上方停留時間為6s，在步驟C中，涂層的調(diào)制周期是由精確控制Si基片在TiA