[发明专利]电弧离子镀-磁控溅射复合沉积高温耐磨减摩AlTiN纳米多层涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明属于材料涂层领域，公开了一种电弧离子镀‑磁控溅射复合沉积高温耐磨减摩AlTiN纳米多层涂层及其制备方法和应用。在经过离子源轰击清洗的基体表面，首先沉积金属AlTi结合层，以缓解基体与涂层热膨胀系数失配，增强膜‑基结合强度；再使用电弧离子镀沉积～1μm厚的AlTiN涂层作为过渡层，并对纳米多层结构涂层提供支撑；最后同时打开电弧AlTi靶与磁控AlTi靶复合沉积制备AlTiN纳米多层功能层。通过设计结合层、过渡层、复合沉积功能层以及调控涂层沉积过程中的工艺参数，改变调制周期，可在硬质合金基体上制备结合力高、摩擦系数低、内应力较小且性能稳定的AlTiN纳米多层涂层。

技术领域

本发明属于材料涂层领域，特别涉及一种电弧离子镀-磁控溅射复合沉积高温耐磨减摩AlTiN纳米多层涂层及其制备方法和应用。

背景技术

铸铁是近代工业生产中应用最广泛的一种铸造金属材料。球墨铸铁经过等温淬火处理后，强度，韧性以及耐磨性显著提升，是生产汽车零部件的主要原材料；蠕墨铸铁的力学系能介于灰口铸铁和球墨铸铁之间，适用于汽车发动机零部件的生产，但是这两种铸铁材料在加工过程中，存在刀具与工件之间摩擦力较大以及刀具易崩刃等一系列问题。目前，国内外刀具厂家推出的涂层刀具主要是采用CVD技术制备的TiN-TiCN-Al₂O₃多层涂层以及PVD技术制备的AlTiN单层涂层，无论是涂层结构和成分，都没有针对铸铁材料经过专项的优化，存在加工效率低，刀具磨损块等一系列缺点。

发明内容

为了解决现有针对铸铁材料高速切削加工使用的涂层刀具的缺点和不足之处，本发明的首要目的在于提供一种电弧离子镀-磁控溅射复合沉积高温耐磨减摩AlTiN纳米多层涂层。

本发明的再一目的在于提供上述电弧离子镀-磁控溅射复合沉积高温耐磨减摩AlTiN纳米多层涂层的制备方法。

本发明的又一目的在于提供上述电弧离子镀-磁控溅射复合沉积高温耐磨减摩AlTiN纳米多层涂层的应用。

本发明目的通过以下技术方案实现：

一种电弧离子镀-磁控溅射复合沉积高温耐磨减摩AlTiN纳米多层涂层，所述纳米多层涂层由下到上包括硬质合金基体、金属AlTi结合层、AlTiN过渡层和AlTiN功能层；AlTiN功能层是由调制比为1:1～10:1的电弧离子镀AlTiN中间层与磁控溅射AlTiN中间层交替沉积而成，调制周期范围是5～25nm；金属AlTi结合层中各元素的原子百分比含量为：Al:50～70at.％，Ti:30～50at.％；AlTiN过渡层、电弧离子镀AlTiN中间层与磁控溅射AlTiN中间层中各元素的原子百分比含量均为：Al:20～28at.％，Ti:18～22at.％，N:45～55at.％。

所述金属AlTi结合层、AlTiN过渡层和AlTiN功能层的厚度分别为100～500nm、0.5～1.0μm和2～8μm。

上述AlTiN纳米多层涂层的制备方法，包括以下操作步骤：首先在硬质合金基体上表面沉积金属AlTi结合层；然后在金属AlTi结合层上电弧离子镀沉积AlTiN过渡层；最后在AlTiN过渡层上通过电弧离子镀-磁控溅射复合沉积AlTiN功能层。

上述AlTiN纳米多层涂层的制备方法，具体包括以下操作步骤：

(1)首先在硬质合金基体表面上通过电弧离子镀沉积金属AlTi结合层，以解决硬质合金基体与涂层之间热膨胀系数失配的问题：打开加热器将真空室升温至400～500℃，对真空室抽真空至真空度在1.0～5.0×10^-3Pa以上；然后通入100～200sccm的Ar气，设置工件支架偏压-1000～-1200V，对硬质合金基体表面进行溅射清洗，轰击时间5～15min；再将偏压降至-700～-800V，点燃AlTi靶，靶材电流60～150A，用高能AlTi电弧离子轰击硬质合金基体10～15min，在硬质合金基体上表面沉积了金属AlTi结合层；