[发明专利]Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜及其制备方法

说明书

本发明提出的一种Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜及其制备方法，属于氮化膜技术领域。本纳米多层梯度膜是通过多弧离子镀方法，在低合金钢或模具钢基体上，由依次沉积的Ti打底层、TiN过渡层、TiAlSiN过渡层和TiAlCrSiN膜层组成；该纳米多层梯度膜的总厚度为1.8‑3.6μm；Ti、Al、Cr、Si元素的总含量范围分别为30at％‑34at％、20at％‑24at％、5at％‑10at％、3at％‑5at％；该纳米多层梯度膜的膜基结合力为36‑48N，摩擦系数为0.02～0.03，纳米硬度为32‑36Gpa。本方法通过改变基体负偏压，各中间层的沉积时间以及靶的转换，得到获得高韧、摩擦系数低以及耐磨性良好的梯度纳米多层膜。

技术领域

本发明属于氮化膜技术领域，特别涉及一种Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜及其制备方法。

背景技术

在众多涂层制备技术当中，采用多弧离子镀技术制备的涂层具有膜基结合力强、沉积速率高、涂层致密、结合力强和工艺参数易于调节等优点，是制备硬质膜的重要方法。随着加工设备使用效率的提高，高速切削已成为机械加工的主流。然而，在高速高载荷等极端工况条件下，硬质膜刀具常因剧烈的摩擦磨损而失效，迫切需要进一步提高刀具表面硬质膜的综合力学性能及耐磨损性能。

TiN薄膜具有高硬度、良好的膜基结合力和抗高温氧化性能、以及优异的耐磨性等，是一种极具发展潜力的硬质氮化物薄膜。为了实现更具有吸引力的性能，已经研究了将其他元素掺杂到TiN中。在TiN中添加其他合金元素，如Al、Cr、Si等形成的多元涂层、多层涂层和纳米技术涂层，在保持TiN单一涂层优异性能的同时，还具有更高的硬度和耐磨性、更好的化学稳定性、更高的膜基结合力、更好的抗化学腐蚀性等各类综合性能，具有很高的应用前景。其中Si元素的加入，使得涂层具有了更高的硬度和耐磨性；Al元素的加入提高了膜层的抗高温氧化性，且TiN溶解大量的Al元素，可以细化晶粒，提高涂层的硬度。在涂层中加入Cr元素能够提高硬度和膜基结合力。具体原理为：通过在基体中添加各种元素，采用过渡层或中间层获得多层或梯度膜来改善薄膜的结构与性能，通过一层或多层的过渡层作用于基体材料和硬质镀层材料之间来提高膜层的膜基结合力，使晶粒细化，提高塑性变形能力，阻止裂纹继续扩展，提高了膜层的韧性和强度。薄膜和过渡层组成了稳定的耐磨损、耐冲击的强化区，提高了韧性，从而使薄膜的使用性能增强。

目前，硬质氮化物薄膜(特别是用于刀具的硬质氮化物薄膜)的研究工作大多局限于薄膜微结构的分析以及硬度和膜基结合性能的提高方面，而针对硬质膜在高速干摩擦等恶劣工作条件下使用时的耐磨损特征却鲜有研究。

再如，申请号为201611235550.7的专利公开了一种运用多靶磁控溅射方法在金属或合金基体上交替溅射TiSiN层和TiCrN层制备TiCrN/TiSiN纳米多层结构涂层，运用磁控溅射技术制得的该纳米复合涂层虽然具有高的硬度，但同时也存在较差的膜基结合力，容易造成膜层脱落。

又如，申请号为200910193941.5的专利公开了一种在工具或模具基体上运用空心阴极磁控溅射技术制备多元Ti-Al-N系纳米复合多层涂层。运用该空心阴极磁控溅射技术制备的复合涂层，虽然涂层的膜基结合力较高，但硬度较低，且其装置和工艺处理过程都很复杂，涂层局部存在性能差异。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供一种Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜及其制备方法，本发明的纳米多层梯度膜具有超低的摩擦系数和更优异的膜基结合力，多层和梯度结构设计的膜层能够大幅度的延长基体的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提出的一种Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜，其特征在于，该纳米多层梯度膜是通过多弧离子镀方法，在低合金钢或模具钢基体上，由依次沉积的Ti打底层、TiN过渡层、TiAlSiN过渡层和TiAlCrSiN膜层组成；