[发明专利]一种CrTiAlSiN基多元复合硬质涂层

说明书

技术领域

本发明属于金属表面涂层技术领域，具体涉及一种CrTiAlSiN基多元复合硬质涂层。

背景技术

气相沉积技术主要包括CVD(化学气相沉积)和PVD(物理气相沉积)，是当代真空技术和材料科学中最活跃的研究领域，也是目前刀具表面涂层技术的主流方向，它不仅可以用来制备各种特殊性能的薄膜涂层，而且还可以用来制备各种功能薄膜材料和装饰薄膜涂层以及沉积各种各样的化合物、非金属、半导体、陶瓷、塑料膜等。PVD技术与CVD技术相比，其沉积温度；沉积速率快；沉积的涂层具有细微结构、抗裂纹扩展能力强；涂层表面光滑、摩擦系数低；涂层制备是在真空条件下，复合绿色制造的理念。

PVD技术主要有蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜三种方法。蒸发镀膜沉积速率快，所承受工作压力以及质点撞击能量最小，设备简单、涂层精细、价格便宜、工艺易掌握、可大批量生产，但其绕射性差，难以满足超硬材料镀膜。溅射镀膜相比蒸镀，其靶材无相变，化学成分稳定，合金不易分馏，合适制备的膜材更为广泛，但是其制备装置复杂、薄膜沉积率较低、靶材利用率不高。离子镀膜结合了蒸镀技术和溅射镀膜技术的优点，沉积粒子能量最高、膜层结合力优异、可镀材料广泛、沉积速率快、镀前清洗工序简单、对环境无污染，但其薄膜均匀性稍欠佳，多弧离子镀易出现融滴，会影响镀层质量。

单层涂层在气相沉积技术发展的前十几年中一直被采用，典型的代表有TiC、TiN、、CrN，其余的还有NbC、HfC、ZrC、ZrN、BN等。其中CrN涂层目前应用最为广泛，是被誉为最能替代TiN涂层的材料之一，并且由于其耐磨性优良，其主要用于塑料膜、冷镦冲头等模具，又根据其良好的抗粘结性和化学稳定性切削软材料如钛合金，钛、铜、铝等。

目前PVD涂层已经扩展到了航空航天、机械加工、电子通讯、医疗器械、家电等行业，涂层类型也从最初的TiN、TiC单层涂层发展到了多层涂层、多元复合涂层、梯度涂层以及纳米涂层等。多层涂层与单层涂层相比能够有效的抑制粗大晶粒组织的生长，改善涂层组织状况，发挥出各层不同涂层材料的优点，有效的提高产品性能。最常用的多层涂层是2种涂层组合或者层数在3～7层之间的多层复合涂层。

多元复合涂层是在单层涂层、多层涂层中加入如Cr、Zr、V、B、Hf等元素，能够提高抗氧化性和抗磨损性，并大大改善涂层与基材之间的结合力。目前，最常用的是TiCN和TiAlN，其余还有TiSiN、TiBN、TiAlSi、TiAlCN等。

梯度涂层是对基材表面进行梯度化处理，使涂层基体表面一定深度区域形成碳化物和碳氮化物的韧性区，此区域的粘结剂含量一般高于涂层基体的名义粘结剂含量，当裂纹扩展到此区域时，由于此韧性区韧性优异，将有效的吸收裂纹扩展的能量，提高刀具的使用寿命。

纳米涂层以高硬度、高耐热性、相对较高的韧性以及在低沉本和绿色加工的前提下有高的使用寿命等特点一经面世就引起了研究者的广泛关注。其主要分为纳米多层结构和纳米复合结构涂层两类。

发明内容

本发明提供了一种CrTiAlSiN基多元复合硬质涂层，解决高速干式切削刀具和热作模具加工条件苛刻的问题，延长工具的使用寿命。

本发明完整的技术方案包括：

一种CrTiAlSiN基多元复合硬质涂层，其特征在于：所述涂层结构为CrN/CrTiAlN/CrTiAlSiN/CrTiAlSiCN，

所述CrN为打底层，能够在高温时形成Cr₂o₃，并阻止O₂在涂层内部持续扩散，提高涂层抗氧化性，所述CrN层厚0.3-0.45μm，

所述CrTiAlN为副功能层，涂层中Al元素固溶与CrN中，能够高温时产生的Al₂o₃，提高涂层高温抗氧化性，Ti元素以Cr-Ti-N体系的形式固溶于CrN中，使涂层柱状结构之间的界面模糊，提高了涂层的致密性；

所述CrTiAlSiN层为主功能层，厚度为CrTiAlN层厚的1.5～2倍，涂层中Si元素固溶于CrN晶格中，并能形成非晶态Si₃N₄以阻止不同相界面间位错的形成和移动，进而提高涂层硬度，降低涂层表面摩擦系数，并且所述Si元素在高温环境下时能够形成SiO₂，提高涂层的高温抗氧化性；