一种AlTiN涂层及其制备方法技术

本申请公开了一种AlTiN涂层及其制备方法，AlTiN涂层由Cr轰击植入层、CrN过渡层和AlTiN表面功能层组成，该AlTiN涂层与基体的结合力足够强，不易产生剥落现象，在高温下的摩擦系数较小。该制备方法包括清洗基体工序、刻蚀工序、沉积Cr轰击植入层工序、沉积CrN过渡层工序、沉积AlTiN表面功能层工序和冷却工序，在三个具体沉积工序中，应用阴极脉冲电弧技术，通过调整脉冲电弧电源输出电流最大值、最小值、占空比、频率，使得在脉冲放电期间能够产生更高密度的等离子体，相比传统电弧离子镀技术制备的AlTiN涂层，本实施例制备的AlTiN涂层具有涂层表面粗糙度明显改善、表面大颗粒数量明显减少、膜层致密性更紧密、膜基结合力更高和高温下摩擦系数更低等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种AlTiN涂层及其制备方法
本专利技术涉及刀具涂层
，尤其涉及一种AlTiN涂层及其制备方法。
技术介绍
刀具涂层自20世纪70年代起经历了跨越式发展，其中以TiN为代表的第一代涂层具有较高的硬度和耐磨性，显著提高了刀具加工效率和表面质量，得到广泛的应用。但TiN涂层在温度超过600℃时便被氧化，出现硬度下降、涂层脱落等现象。因此，TiN涂层已经无法满足现代切削加工的要求。与TiN涂层相比，AlTiN涂层除了具有硬度高、氧化温度达800以上的优点外，还具有膜基结合强度高、摩擦系数小、热导率低等特点，尤其适用于高速切削高温合金钢、不锈钢、钛合金、镍基合金等材料。鉴于AlTiN涂层在高温性能方面所表现出的优势，其有望逐渐替代TiN涂层。现有技术提供的AlTiN涂层，包括CrN过渡层和AlTiN表面功能层。然而，由于CrN过渡层中各元素的原子百分比含量不理想，导致AlTiN涂层与基体的结合力不足，容易产生剥落现象；AlTiN表面功能层中各元素的原子百分比含量不理想，导致AlTiN涂层在高温下的摩擦系数仍然较大。现有技术还提供了一种采用电弧离子镀技术制备AlTiN涂层的方法，因电弧离子镀具有沉积速率高和膜基结合强度高等优点，该方法已经成为制备AlTiN涂层的主要方法之一。但是，该方法在沉积工序时，由于电弧离子镀输出电流为恒定值，使得产生的等离子体密度不够高，因此导致电弧离子镀沉积的AlTiN涂层表面粗糙、大颗粒数量较多，使用该方法制备的AlTiN涂层在高温下摩擦系数大、更容易磨损。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种AlTiN涂层及其制备方法，该AlTiN涂层与基体的结合力足够强，不易产生剥落现象，在高温下的摩擦系数较小，该制备方法可以解决现有技术沉积的AlTiN涂层表面粗糙、大颗粒数量较多，高温下摩擦系数大、更容易磨损的问题。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种AlTiN涂层，包括沉积在基体上依次层叠的Cr轰击植入层、CrN过渡层和AlTiN表面功能层；所述CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr占40～70at％，N占30～60at％；所述AlTiN表面功能层中各元素的原子百分比含量为：Al占20～40at％，Ti占15～35at％，N占30～60at％。可选的，所述Cr轰击植入层的厚度为0.2～0.8μm，所述CrN过渡层的厚度为0.5～1.2μm，所述AlTiN表面功能层的厚度为2～4μm。可选的，所述基体为WC-Co硬质合金或高速钢。一种制备如上所述AlTiN涂层的制备方法，包括清洗基体工序、刻蚀工序和沉积工序，所述沉积工序包括以下工序：沉积Cr轰击植入层工序：将工作偏压调至-80～-200V，向真空室通入200～450sccm的Ar气，点燃Cr靶，调节所述真空室的气压至0.8～3.0Pa、温度至350～500℃，脉冲电弧电源输出电流波形为矩形波、输出电流的平均电流为75～120A、频率为5～180Hz、占空比为1％～70％，电弧靶电磁线圈输出电流为0.5～6A，沉积Cr轰击植入层；沉积CrN过渡层工序：将所述工作偏压调至-60～-150V，向所述真空室通入250～600sccm的N2气，点燃Cr靶，调节所述真空室的气压至0.8～3.0Pa、温度至350～500℃，所述脉冲电弧电源输出电流波形为矩形波、输出电流的平均电流为75～120A、频率为5～180Hz、占空比为1％～70％，所述电弧靶电磁线圈输出电流为0.5～6A，沉积CrN过渡层；沉积AlTiN表面功能层工序：将所述工作偏压调至-50～-150V，向所述真空室通入250～600sccm的N2气，点燃AlTi靶，调节所述真空室的气压至0.8～3.0Pa、温度至350～500℃，所述脉冲电弧电源输出电流波形为矩形波、输出电流的平均电流为70～110A、频率为5～180Hz、占空比为1％～70％，所述电弧靶电磁线圈输出电流为0.5～6A，沉积AlTiN表面功能层。可选的，所述清洗基体工序包括：对所述基体抛光，待抛光至镜面后进行超声波清洗，然后风干放入所述真空室。可选的，所述超声波清洗为先用丙酮超声波清洗所述基体10～20min、再用酒精超声波清洗所述基体10～20min，所述风干为采用氮气吹干。可选的，所述刻蚀工序包括：将所述真空室升温至300～500℃，对所述真空室抽真空至真空度为1.0*10-3～8.0*10-3Pa，向所述真空室通入100～400sccm的Ar气和50～250sccm的Kr气，调节工作偏压至-500～-1000V、频率为20～300kHz，对所述基体表面进行辉光清洗，通入100～400sccm的Ar气和50～250sccm的Kr气，调节所述工作偏压至-100～-300V、离子源电流为15～35A，对所述基体进行气体离子轰击刻蚀。可选的，所述沉积工序之后还包括：冷却工序，所述冷却工序为在所述沉积工序结束后向所述真空室通入氮气冷却，使得所述基体表面形成所述AlTiN涂层。与现有技术相比，本专利技术实施例具有以下有益效果：本专利技术实施例提供了一种AlTiN涂层及其制备方法，该AlTiN涂层与基体的结合力足够强，不易产生剥落现象，且通过调整AlTiN表面功能层中各元素的原子百分比含量，使得AlTiN涂层在高温下的摩擦系数较小。该制备方法在沉积工序中利用阴极脉冲电弧技术，通过调整脉冲电弧电源输出电流最大值、最小值、占空比、频率，使得在脉冲放电期间能够产生更高密度的等离子体，以此制备的AlTiN涂层具有涂层表面粗糙度明显改善、表面大颗粒数量明显减少、膜层致密性更紧密、膜基结合力更高和高温下摩擦系数更低等优点。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本专利技术实施例提供的一种AlTiN涂层的制备方法流程图。图2为本专利技术实施例提供的脉冲电弧电源输出电流的波形图。图3为现有技术和本专利技术实施例分别制备出的AlTiN涂层的表面SEM图。图4为本专利技术实施例提供的AlTiN涂层的XRD图谱。图5为室温下(25℃)和高温下(400℃和600℃)本专利技术实施例制备的AlTiN涂层的摩擦系数对比图。图6为本专利技术实施例提供的一种AlTiN涂层的结构示意图。具体实施方式为使得本专利技术的专利技术目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1所示，本实施例提供了一种AlTiN涂层的制备方法，包括依次进行的如下工序：步骤S1，清洗基体工序；步骤S2，刻蚀工序；步骤S3，沉积Cr轰击植入层工序；步骤S4，沉积CrN过渡层工序；步骤S5，沉积AlTiN表面功能层工序和步骤S6，冷却工序。具体的，所述清洗基体工序为对所述基体抛光，待抛光至镜面后进行超声波清洗，然后风干放入真空本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种AlTiN涂层，其特征在于，包括沉积在基体上依次层叠的Cr轰击植入层、CrN过渡层和AlTiN表面功能层；所述CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr占40～70at％，N占30～60at％；所述AlTiN表面功能层中各元素的原子百分比含量为：Al占20～40at％，Ti占15～35at％，N占30～60at％。

【技术特征摘要】
1.一种AlTiN涂层，其特征在于，包括沉积在基体上依次层叠的Cr轰击植入层、CrN过渡层和AlTiN表面功能层；所述CrN过渡层中各元素的原子百分比含量为：Cr占40～70at％，N占30～60at％；所述AlTiN表面功能层中各元素的原子百分比含量为：Al占20～40at％，Ti占15～35at％，N占30～60at％。2.根据权利要求1所述的AlTiN涂层，其特征在于，所述Cr轰击植入层的厚度为0.2～0.8μm，所述CrN过渡层的厚度为0.5～1.2μm，所述AlTiN表面功能层的厚度为2～4μm。3.根据权利要求1所述的AlTiN涂层，其特征在于，所述基体为WC-Co硬质合金或高速钢。4.一种制备如权利要求1至3中任意一项所述AlTiN涂层的制备方法，包括清洗基体工序、刻蚀工序和沉积工序，其特征在于，所述沉积工序包括以下工序：沉积Cr轰击植入层工序：将工作偏压调至-80～-200V，向真空室通入200～450sccm的Ar气，点燃Cr靶，调节所述真空室的气压至0.8～3.0Pa、温度至350～500℃，脉冲电弧电源输出电流波形为矩形波、输出电流的平均电流为75～120A、频率为5～180Hz、占空比为1％～70％，电弧靶电磁线圈输出电流为0.5～6A，沉积Cr轰击植入层；沉积CrN过渡层工序：将所述工作偏压调至-60～-150V，向所述真空室通入250～600sccm的N2气，点燃Cr靶，调节所述真空室的气压至0.8～3.0Pa、温度至350～500℃，所述脉冲电弧电源输出电流波形为矩形波、输出电流的平均电流为75～120A、频率为5～180Hz、占空比为1％～70％，所述电弧靶电磁线圈...

【专利技术属性】
技术研发人员：王启民，李季飞，张腾飞，刘辞海，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东,44