[发明专利]一种多弧离子镀超晶格纳米复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种精密模具和高速切削工具表面镀膜强化处理工艺，尤其涉及的是一种多弧离子镀超晶格纳米复合涂层及其制备方法。

背景技术

过渡族金属氮化物涂层因具有较高的硬度和较好的抗磨损性能，广泛用作模具表面改性材料。所得涂层须具有如下的特征：良好的结合力、足够的厚度、适当的力学性能(硬度和强度)、抗热扰动性能和高温稳定性。氮化钛基薄膜由于其较高的硬度和较好的抗磨损性能等优点，已经在模具和切削工具上得到了广泛的应用。

随着加工制造业的迅速发展，对模具提出了越来越高的要求，也为其发展提供了巨大的动力。近年来，模具行业结构调整步伐加快，主要表现为大型、精密、复杂、长寿命模具标准件、模具标准件发展速度高于行业的总体发展速度，尤其是IT、汽车、高新技术行业对精密模具的要求越来越高。目前精密模具表面改性的方法主要有渗氮、渗碳和硬化薄膜沉积，其中渗碳和渗氮技术形成的表面改性层硬度较低、抗磨损性性能不足、抗高温性能较差，远不能达到提高精密模具寿命的要求。硬化薄膜沉积技术制备的硬质涂层可满足高硬度、优良的抗磨损和抗高温性能，成为最有前景的精密模具表面改性技术之

TiN作为最普通的硬质涂层已经广泛的用于模具和切削工具行业，但TiN涂层由于较低的抗磨损性能、较差的抗氧化性能和低的热红硬性(500℃其硬度就开始急剧下降)等缺点，限制了其在精密模具和高速切削工具上的进一步应用。近年来，不断致力于高性能涂层强化精密模具和高速切削工具的进一步开发与应用，如在TiN基涂层基础上，加入B、Si、Cr、W、等元素形成Ti-B-N、Ti-Cr-N、Ti-Si-N、Ti-Al-Si-N、Ti-Si-C-N、Ti-W-Al-N等三元或者四元涂层。

在1995年，德国科学家Stan Veprek等人提出了新的超硬纳米复合膜的设计理念，即由小于15nm的纳米晶或者非晶两相物质层交替生长而形成的超晶格结构，并且，此结构的调制周期是均匀、固定的。实验研究表明：由纳米尺度的两相物质交替沉积形成的精细结构多层膜具有硬度异常增加的超硬性效应；此外，这种特殊的结构对改善涂层摩擦学性能也有很好的效果。但是这种涂层由于具有较高的内应力和脆质相Si3N4的加入，降低了薄膜的韧性以及与基体的结合强度，限制了其在精密模具上的应用。纳米多层化(超晶格)和后处理(热处理)是改善超硬薄膜韧性的重要手段。一方面，目前超硬薄膜的纳米多层化主要是磁控溅射技术，但这种制备薄膜的技术沉积效率低下，难以大规模工业化生产；另一方面，真空退火虽然能够降低超硬薄膜中的内应力，但随着温度的升高，尤其是超过1000℃以上时，力学性能降低。

总体而言，尽管目前对氮化钛基涂层的研究较多，但是利用多弧离子镀获得超高硬度、高热稳定性能、且具有良好韧性的TiN基纳米复合涂层精密模具未见报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种多弧离子镀超晶格纳米复合涂层及其制备方法，使得多晶格氮化钛基纳米复合涂层在精密模具和高速切削工具上得以工业化应用。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括纳米过渡层、立方结构的TiN层和六方结构的AlSiN层，所述立方结构的TiN层和六方结构的AlSiN层交替沉积在纳米过渡层上，所述纳米过渡层是Ti/TiN的复合物层，所述六方结构的AlSiN层的界面上设有立方结构的AlSiN层。

所述立方结构的TiN层和六方结构的AlSiN层的调制周期为7～9nm。

所述纳米复合涂层的总厚度为4～6μm，纳米过渡层的厚度为1～2μm。

所述纳米复合涂层中含有晶化的Si₃N₄相。

一种多弧离子镀超晶格纳米复合涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)在真空室的两侧分别设置第一中频电弧源和第二中频电弧源，N₂和Ar气体接入真空室中；

(2)将抛光、清洗后的工件夹持在夹具上，夹具设置在转台上，转台位于真空室中；

(3)往真空室内通入Ar气，加负偏压对工件表面进行Ar离子轰击清洗去除工件表面残余物后，降低负偏压；

(4)启动第一中频电弧源，沉积生成Ti层，然后通入N₂气体，沉积生成TiN层；

(5)启动第二中频电弧源，首先沉积AlSiN层，然后旋转试样，使得试样间隙的暴露在两个中频电弧源之间，交替沉积生成立方结构的TiN层和六方结构的AlSiN层，真空室冷却到室温即可。