[发明专利]硼化钛/氮化硅纳米多层涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种切削工具技术领域的涂层及其制备方法，特别是一种TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层及其制备方法。

背景技术

由于其机械加工效率高，环境污染少，切削速度≥100m/min的高速切削及无冷却液的干式切削方式正日益成为切削技术发展的主流，这些先进的切削技术对刀具涂层的性能提出了更高的要求。不仅要求刀具涂层硬度高，还需要涂层具有低的摩擦系数，以及较高的抗氧化能力。现有的刀具涂层尚未全面满足这些要求。如目前工业上广泛应用的TiAlN涂层，虽然涂层的抗氧化温度可达800℃，但作为高速铣削刀具和螺纹刀具的涂层使用时，其摩擦系数偏高。另外，TiAlN涂层约35GPa的硬度也有进一步提高的必要。硼化钛(TiB₂)是一种具有高硬度和高稳定性的化合物，其硬度为35GPa，不但高于各种过渡金属氮化物的硬度，而且TiB₂的摩擦系数也低于多数过渡金属氮化物，更宜用于需优异减磨性能的高速铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。但是，TiB₂涂层的抗氧化温度不超过750℃，仍不能满足高速切削和干式切削对涂层提出的要求。因而目前生产上急需一种高硬度、低摩擦系数并兼具高抗氧化温度的涂层，以满足高速铣削刀具和螺纹刀具在干式切削工况下的要求。

对现有技术进行的检索发现：

为了提高刀具涂层的抗氧化性，已有的专利技术(如美国专利US6565957，US6638571，US5766782和中国专利95108982.X等)采用在TiN等涂层的表面或中间增加一层或多层0.1～8μm厚度的Al₂O₃层，使之与氮化物层形成多层结构的涂层。尽管致密的Al₂O₃层能显著提高涂层的抗氧化性，但由于Al₂O₃的硬度远低于氮化物，这种氮化物和Al₂O₃组成的多层涂层的硬度会明显降低，从而影响到刀具涂层切削功能的有效发挥。

美国专利US6333099B1也提供了一种具有优良抗氧化性能的MeN/Al₂O₃纳米多层涂层，该涂层中的过渡族金属氮化物可以是Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W、Al等元素或者它们混合物的氮化物，写作MeN。该纳米多层涂层由两种层厚分别为0.1～30nm的MeN层和Al₂O₃层交替沉积而形成成分周期变化的多层结构。涂层总厚度为0.5～20μm。这种涂层的硬度不低于其组成物MeN和Al₂O₃单层涂层的硬度。虽然该技术提出的这种MeN/Al₂O₃纳米多层涂层可以用化学气相沉积方法(CVD)和物理气相沉积方法(PVD)制备，但并未涉及具体技术措施和手段。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层及其制备方法。本发明具有高硬度和高抗氧化性能，不但提高了现有TiB₂涂层的硬度，保持了TiB₂涂层的低摩擦系数，并使涂层的抗氧化性得到显著提高。本发明可作为高速铣削和螺纹刀具的表面涂层材料。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的涉及TiB₂/Si₃N₄纳米多层涂层是由TiB₂和Si₃N₄两种材料交替沉积形成纳米量级的多层结构，在多层结构中的每一个双层结构，Si₃N₄层的厚度为0.2～0.8nm，TiB₂层的厚度为2～8nm，纳米多层涂层的总厚度为1～4μm。

所述的Si₃N₄层为气相沉积非晶结构；

所述的TiB₂层模板效应下被强制晶化的六方晶体结构；

在所述的TiB₂及其(0001)晶体面上形成共格外延生长的超晶格柱状晶。