[发明专利]一种物理气相沉积涂层的工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属加工技术领域，尤其涉及一种物理气相沉积涂层的工艺方法。 

背景技术

当今的制造业已发生了革命性的转变，以数控机床为基础的现代制造技术正朝着高速、干式切削加工的方向迈进。由于刀具涂层技术可大幅度地提高切削刀具的综合性能，尤其是近年来超硬薄膜设计概念的提出，在理论上可有效地改善刀具的高温性能，使涂层刀具应用于高速、干式切削加工成为可能。

物理气相沉积（即PVD，Physical Vapor Deposition）是当前国际上广泛应用的先进的表面处理技术，可为物件、工具、工件等提供各类单一或多层涂层加工服务。其工作原理就是利用真空物理过程，例如蒸发或者溅射实现物质的转移，将原子或分子由源转移到基体表面上，并沉积成薄膜。这种工艺不含危害环境的物质和排放物，不存在毒性反应产品，对人体和生态环境无害，是一种能真正获得纳米至微米级薄膜且无污染的环保型表面处理方法。所得到的PVD涂层在不影响基体尺寸的情况下，改善表面外观，表面颜色均一；提高表面强度，在烈日、潮湿等恶劣环境中不变色、不脱落，性能稳定；而且PVD膜具有很好的导热性能，能降低摩擦系数，高度耐磨损，耐刮擦，不易划伤，降低切削震荡；而且提高表面抗氧化温度，可作为化学屏障，提高抗化学腐蚀能力；可镀材料广泛，与基体结合力强。

在切削刀具涂层技术领域，物理气相沉积涂层工艺主要是通过电弧蒸发作用或磁控溅射作用来实现涂层在刀具表面的沉积。由于涂层的抗氧化性能好，并可有效地控制精密刀具刃口形状及精度，在生产高精密加工刀具、装饰件、高要求机械零部件、高精密集成电路的模具等方面具有很广泛的用途。与化学气相沉积（即CVD，Chemical Vapor Deposition）工艺相比，PVD工艺温度低，对刀具材料的抗弯强度基本无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响。PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金钻头、铣刀、铰刀、丝锥、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理，可大大减少在未涂层产品的维修和重新购置上的费用。

但是，PVD涂层技术对基体材料有较高要求。例如，要求基体材料本身有一定的强度和硬度，即只能对硬质表面进行涂覆，提高了生产成本。对于质量较低、硬度不够的软质表层基体材料，一般先经过表面氮化处理，使基体材料表面硬度提高后再进行PVD涂层处理。通常的做法是，先将基体材料在氮化设备中处理后，再移至PVD设备中进行涂层处理，而氮化过程至少十几个小时，其工艺能耗大，处理时间长。 

发明内容

针对现有的PVD涂层工艺能耗大且处理时间长的不足，本发明的目的是提供一种物理气相沉积涂层的工艺方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案的步骤如下：

a、对预加工基材表面进行氮化处理：将基体材料置于物理气相沉积设备反应室内的偏转源上，向所述真空反应室内通入氮气和惰性气体，反应时间50～100分钟；

b、在所述基材表面形成沉积薄膜：关闭氮气，使所述反应室降温并向所述反应室内通入涂层材料等离子气体，并使所述涂层材料等离子气体轰击经步骤a氮化处理后的基体材料，反应时间50～100分钟。

c、得到处理后的基材材料。

进一步地，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。

进一步地，所述步骤a中，反应室内真空度在4×10^-2Pa以下，温度为450℃～480℃，反应时间为100分钟。

进一步地，所述步骤a中，氩气气流速度为5～10毫升/min，氮气气流速度为5～10毫升/min。

进一步地，所述步骤a中，氩气气流速度为7毫升/min，氮气气流速度为6毫升/min。

进一步地，所述步骤b中，反应室内真空度在2×10^－2以下，反应室降温至220℃后再将温度控制在380℃～420℃，偏压电源为60 V～100V，反应时间为80分钟。

进一步地，所述步骤b中，氩气气流速度为8～10毫升/min，氮气气流速度为60～90毫升/min。

进一步地，所述基体材料为钢材、硬质合金或经电镀的塑料。

进一步地，所述涂层材料为氮化钛、氮化铝钛、氮化铬、氮碳化铬涂层、碳氮化钛或氮化锆。