Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜及其制备方法技术

本发明专利技术提出的一种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。

Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN nano-multilayer gradient films and their preparation methods

The invention provides a Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN nano-multilayer gradient film and a preparation method thereof, belonging to the technical field of nitriding film. The nano-multilayer gradient film is composed of Ti layer, TiN layer, TiAlSiN layer and TiAlCrSiN layer deposited successively on low alloy steel or die steel substrate by multi-arc ion plating. The total thickness of the nano-multilayer gradient film is 1.8 3.6 um; and the total content range of Ti, Al, Cr and Si elements is 30at%34at%, 20at%at%, 5at%10%, at%, respectively. 3 at%5 at%. The film-based adhesion of the nano-multilayer gradient film is 36 48N, the friction coefficient is 0.02-0.03, and the nano-hardness is 32 36Gpa. The gradient nano-multilayers with high toughness, low friction coefficient and good wear resistance were obtained by changing the negative bias of the matrix, the deposition time of each intermediate layer and the conversion of the target.

【技术实现步骤摘要】
Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜及其制备方法
本专利技术属于氮化膜
，特别涉及一种Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜及其制备方法。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术提出的一种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；该纳米多层梯度膜的总厚度为1.8-3.6μm，其中，所述Ti打底层厚度为0.02-0.08μm、所述TiN过渡层为0.58-1.12μm、所述TiAlSiN过渡层为0.6-1.2μm、所述TiAlCrSiN膜层的总厚度为0.6-1.2μm，TiAlCrSiN膜层由多组灰色TiAlCrSiN膜层和白色AlTiCrSiN模层交替排列而成，灰色TiAlCrSiN膜层的单层厚度为0.010-0.015μm，白色AlTiCrSiN膜层的单层厚度为0.015-0.020μm；该纳米多层梯度膜中，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。本专利技术还提出一种上述Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将基体用砂纸进行逐级打磨，抛光；然后将基体放入丙酮中超声清洗，清洗后的基体用酒精清洗、烘干放进镀膜真空室；(2)通过位于镀膜真空室内的多弧离子镀膜机和多个靶材在经步骤(1)处理后的基体上沉积Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜，多个所述靶材为3个纯度为99.9％的Ti单质靶、1个Al-Ti-Si合金靶、1个Al-Ti合金靶和1个Al-Si合金靶；具体包括以下步骤：(2-1)将所有靶材均匀放置在基体两侧，且至基体的水平距离均为360mm，一侧放置的靶材为Al-Ti-Si合金靶、Al-Si合金靶和第一Ti单质靶，另一侧放置的靶材为Al-Ti合金靶、第二Ti单质靶和第三Ti单质靶；将镀膜真空室的腔体加热至300-400℃，保持0.5-1h，真空抽至≤4.0×10-3Pa；(2-2)沉积Ti打底层：开启3个Ti单质靶，其余靶材关闭，靶电流控制在70-80A，负偏压控制在250-300V，通入惰性气体Ar气，工作压强控制在1.0-2.0Pa，沉积时间为3-5min，沉积的Ti打底层厚度为0.02-0.08μm；(2-3)沉积TiN过渡层：通入N2作为反应气体，工作压强控制在3.0-4.0Pa，3个Ti单质靶电流保持在70-80A，3个Ti单质靶的负偏压控制在200-250V，保持氮氩气流量比为8:1-16:1，沉积时间为25-70min；3个Ti单质靶的负偏压控制在750-850V，沉积时间5min，得到沉积的TiN过渡层厚度为0.58-1.12μm；(2-4)沉积TiAlSiN过渡层：3个Ti单质靶保持开启，同时开启1个Al-Si合金靶，3个Ti单质靶和1个Al-Si合金靶电流均控制在70-80A，负偏压均控制在200-250V，保持氮氩气流量比8:1-16:1，工作压强控制在3.0-4.0Pa，沉积时间25-75min，沉积的TiAlSiN过渡层厚度为0.6-1.2μm；(2-5)沉积TiAlCrSiN膜层，具体包括：(2-5-1)开启所有靶，沉积TiAlCrSiN膜层，沉积时间为0.5-0.8min，沉积的TiAlCrSiN膜层单层厚度为10-15nm；沉积过程中，保持氮氩气流量比8:1-16:1，工作压强控制在3.0-4.0Pa，各靶的电流均控制在70-80A，负偏压控制在250-300V；(2-5-2)关闭任意1个Ti单质靶，其他各靶保持不变，沉积AlTiCrSiN膜层，沉积时间为0.7-1.1min，沉积的AlTiCrSiN膜层单层厚度为15-20nm；沉积过程中，保持氮氩气流量比8:1-16:1，工作压强控制在3.0-4.0Pa，各靶的电流均控制在70-80A，负偏压控制在250-300V；(2-5-3)以调制周期为25-35nm，交替重复步骤(2-5-1)和步骤(2-5-2)，直至沉积层数为30-60本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种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；该纳米多层梯度膜的总厚度为1.8‑3.6μm，其中，所述Ti打底层厚度为0.02‑0.08μm、所述TiN过渡层为0.58‑1.12μm、所述TiAlSiN过渡层为0.6‑1.2μm、所述TiAlCrSiN膜层的总厚度为0.6‑1.2μm，TiAlCrSiN膜层由多组灰色TiAlCrSiN膜层和白色AlTiCrSiN模层交替排列而成，灰色TiAlCrSiN膜层的单层厚度为0.010‑0.015μm，白色AlTiCrSiN膜层的单层厚度为0.015‑0.020μm；该纳米多层梯度膜中，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。

【技术特征摘要】
1.一种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；该纳米多层梯度膜的总厚度为1.8-3.6μm，其中，所述Ti打底层厚度为0.02-0.08μm、所述TiN过渡层为0.58-1.12μm、所述TiAlSiN过渡层为0.6-1.2μm、所述TiAlCrSiN膜层的总厚度为0.6-1.2μm，TiAlCrSiN膜层由多组灰色TiAlCrSiN膜层和白色AlTiCrSiN模层交替排列而成，灰色TiAlCrSiN膜层的单层厚度为0.010-0.015μm，白色AlTiCrSiN膜层的单层厚度为0.015-0.020μm；该纳米多层梯度膜中，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。2.一种如权利要求1所述Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将基体用砂纸进行逐级打磨，抛光；然后将基体放入丙酮中超声清洗，清洗后的基体用酒精清洗、烘干放进镀膜真空室；(2)通过位于镀膜真空室内的多弧离子镀膜机和多个靶材在经步骤(1)处理后的基体上沉积Ti/TiN/TiAlSiN/TiAlCrSiN纳米多层梯度膜，多个所述靶材为3个纯度为99.9％的Ti单质靶、1个Al-Ti-Si合金靶、1个Al-Ti合金靶和1个Al-Si合金靶；具体包括以下步骤：(2-1)将所有靶材均匀放置在基体两侧，且至基体的水平距离均为360mm，一侧放置的靶材为Al-Ti-Si合金靶、Al-Si合金靶和第一Ti单质靶，另一侧放置的靶材为Al-Ti合金靶、第二Ti单质靶和第三Ti单质靶；将镀膜真空室的腔体加热至300-400℃，保持0.5-1h，真空抽至≤4.0×10-3Pa；(2-2)沉积Ti打底层：开启3个Ti单质靶，其余靶材关闭，靶电流控制在70-80A，负偏压控制在250-300V，通入惰性气体Ar气，工作压强控制在1.0-2.0Pa，沉积时间为3-5...

【专利技术属性】
技术研发人员：何永勇，李杨，张敏怡，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11