一种具有结构梯度的AlTiN涂层及其制备方法技术

本发明专利技术适用于硬质镀膜领域，公开了一种具有结构梯度的AlTiN涂层及其制备方法。所述具有结构梯度的AlTiN涂层包括TiN过渡层、AlTiN梯度层和AlTiN稳定层，TiN过渡层底部附着于硬质合金基体的表面，AlTiN梯度层的底部附着于TiN过渡层的顶部，AlTiN稳定层的底部附着于AlTiN梯度层的顶部，且AlTiN梯度层中Ti含量自底部向顶部递减，AlTiN梯度层中Al含量自底部向顶部递增，AlTiN稳定层中Ti、Al含量稳定且高于或等于AlTiN梯度层顶部的Ti、Al含量。本发明专利技术所提供的一种具有结构梯度的AlTiN涂层及其制备方法，其AlTiN梯度层Ti、Al含量比例随厚度的变化而发生改变，所制备的出AlTiN涂层具有较好的硬度和抗氧化性，且其结构致密，可增强了涂层与基体的结合强度，提升了涂层的抗剥落能力。

A AlTiN coating with structural gradient and its preparation method

The invention is applicable to the field of hard coating, and discloses a AlTiN coating with structural gradient and a preparation method thereof. The structure gradient AlTiN coating includes the TiN transition layer, the AlTiN gradient layer and the AlTiN stable layer, the bottom of the TiN transition layer attached to the surface of the cemented carbide matrix, the bottom of the AlTiN gradient layer attached to the top of the TiN transition layer, and the bottom of the AlTiN stable layer attached to the top of the AlTiN gradient layer, and the Ti content in the AlTiN gradient layer is bottomless. The content of Al in the AlTiN gradient layer is increasing from the bottom to the top, and the content of Ti and Al in the AlTiN stable layer is stable and higher than or equal to the content of Ti and Al at the top of the AlTiN gradient layer. The present invention provides a AlTiN coating with structural gradient and a preparation method. The content ratio of Ti and Al in the AlTiN gradient layer changes with the change of thickness. The prepared AlTiN coating has better hardness and oxidation resistance, and its structure is compact, the bonding strength of the coating layer and the matrix can be enhanced and the coating is enhanced. Resistance to exfoliation.

【技术实现步骤摘要】
一种具有结构梯度的AlTiN涂层及其制备方法
本专利技术属于硬质镀膜领域，尤其涉及一种具有结构梯度的AlTiN涂层及其制备方法。
技术介绍
近年来，刀具切削技术整向高速干式切削方向发展，干式切削是为了保护环境、降低成本而有意识地不使用切削液，在无冷液条件下进行切削加工的切削加工方法。干式切削不是简单地停止使用切削液，而是要在停止使用切削液的同时，保证高效率、高产品质量、高的刀具耐用度以及切削过程的可靠性，这就需要使用性能优良的干切削刀具。干切削不仅要要求刀具材料具有极高的红硬性和热韧性，还必须拥有良好的耐磨性、耐热冲击和抗粘结性，对刀具进行涂层处理，是提高刀具性能的重要途径。实际上，涂层有类似冷却液的功能，它可以产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来，使热量很少传递到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬与锋利，在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。AlTiN涂层具有高硬度、高耐磨性以及优异的抗高温氧化性功能，适用于高速切削高合金钢、钛合金、不锈钢等材料。在刀具表面制备AlTiN涂层时，其工作温度在400-500℃，而AlTiN的硬度、弹性模量和热膨胀系数与硬质合金基体有较大差异，冷却后，或者后期刀具加工使用过程中，涂层和基体之间容易因为应力过大导致涂层脱落。传统的方法是在AlTiN涂层和硬质合金基体之间增加一层TiN涂层，TiN硬度介于两者之间，作为过渡层使用，避免顶层AlTiN与基体差异过大，容易导致涂层脱落。而传统方法制备的AlTiN层是一个整体的均匀的材料整体，AlTiN层和TiN层之间，晶格固溶度依然存在较大的差异，这带来两个问题：1、AlTiN层和TiN层之间晶格畸变承受能力存在突变，刀具使用过程中必然导致两层界面结合处弱；2、AlTiN层和TiN层容易存在空洞。这两个问题都会导致刀具使用中，涂层抗剥落能力差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种具有结构梯度的AlTiN涂层及其制备方法，该AlTiN涂层具有较好的硬度和抗氧化性，与基体的结合力更强，在使用过程其韧性逐渐增强，可提高涂层的抗剥落能力。本专利技术的技术方案是：一种具有结构梯度的AlTiN涂层，包括TiN过渡层、AlTiN梯度层和AlTiN稳定层，所述TiN过渡层底部附着于硬质合金基体的表面，所述AlTiN梯度层的底部附着于所述TiN过渡层的顶部，所述AlTiN稳定层的底部附着于所述AlTiN梯度层的顶部，且所述AlTiN梯度层中Ti含量自底部向顶部递减，所述AlTiN梯度层中Al含量自底部向顶部递增，所述AlTiN稳定层中Ti、Al含量稳定且高于或等于所述AlTiN梯度层顶部的Ti、Al含量。具体地，所述TiN过渡层、所述AlTiN梯度层和所述AlTiN稳定层的总厚度为0.5-4.5μm，且所述TiN过渡层的厚度为0.05-0.4μm。本专利技术还提供了一种具有结构梯度的AlTiN涂层的制备方法，用于制备上述的具有结构梯度的AlTiN涂层，包括以下步骤：S1.将硬质合金基体装夹在PVD涂层炉体内的导电转架上，所述导电转架自转且绕所述PVD涂层炉的炉腔中心轴公转，对所述PVD涂层炉的炉腔加热，同时对所述PVD涂层炉抽真空；S2.调整所述PVD涂层炉的炉腔温度降低，对所述导电转架施加偏压，往所述PVD涂层炉腔通入氩气，对所述硬质合金基体进行氩气刻蚀；S3.所述氩气刻蚀完毕后，保持炉腔的温度不变，调整氩气的气流量降低，开启Ti靶，设置Ti靶弧电流，并调整偏压降低，对所述硬质合金基体进行金属离子刻蚀；S4.所述金属离子刻蚀完毕后，停止通入氩气，调整偏压降低，同时调整Ti靶弧电流升高，通入氮气，并控制所述PVD涂层炉的炉腔气压，对所述硬质合金基体表面进行TiN沉积处理制备所述TiN过渡层；S5.所述TiN沉积后，调整升高所述PVD涂层炉的炉腔气压，调整偏压降低，开启AlTi靶，设定AlTi靶弧电流，对所述TiN过渡层表面进行AlTiN沉积处理，所述AlTiN沉积分两个阶段，第一阶段，所述Ti靶和所述AlTi靶同时工作制备所述AlTiN梯度层，第二阶段，所述AlTi靶单独工作制备所述AlTiN稳定层。具体地，所述步骤S2中，所述步骤S2中，所述导电转架施加的偏压为600-900V，氩气的气流量为250-350sccm。具体地，所述步骤S3中，所述Ti靶为纯Ti靶材，Ti靶弧电流为70-110A,降低后的氩气气流量为25-55sccm，降低后的偏压为400-650V。具体地，所述步骤S4和S5中，所述PVD涂层炉的炉腔的工作温度为450±1℃。具体地，所述步骤S5中，所述AlTi靶为原子比Al:Ti＝70:30的合金靶材,所述AlTiN沉积过程，偏压逐渐降低至偏压设定值。具体地，AlTiN梯度层制备期间，Ti靶弧电流匀速降低至Ti靶弧电流设定值，AlTi靶弧电流匀速升高至AlTi靶弧电流设定值。具体地，所述AlTiN梯度层制备完毕后所述Ti靶关闭，所述Ti靶关闭后所述AlTi靶继续工作并保持AlTi靶弧电流设定值不变。具体地，所述AlTiN梯度层的底部Ti/Al的值在3.5-4.7范围内，所述AlTiN梯度层的顶部Ti/Al的值在0.45-0.7范围内。本专利技术所提供的一种具有结构梯度的AlTiN涂层及其制备方法，具有以下效果：性能方面，AlTiN稳定层的高Al含量确保了晶格中Al原子的高固溶度，使AlTiN稳定层具有较好的硬度和抗氧化性；结合力方面，AlTiN梯度层为渐变结构，AlTiN梯度层底部Al含量较低，与TiN过渡层的亲和性好，结合力更强；使用方面，切削加工时，涂层受到横向剪切力，AlTiN稳定层的高Al含量为涂层提供了硬度保证，从AlTiN梯度层顶部至AlTiN梯度层底部Al含量逐渐降低，晶格固溶度降低，晶格畸变能力提高，韧性逐渐增强，涂层的抗剥落能力得到提升，提高产品的使用寿命，其应用范围广，实用效果佳。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例提供的一种具有结构梯度的AlTiN涂层的结构示意图；图2是本专利技术实施例提供的一种具有结构梯度的AlTiN涂层的制备方法的制备流程图；图3是本专利技术实施例提供的一种具有结构梯度的AlTiN涂层中AlTiN沉积步骤中弧电流变化示意图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。还需要说明的是，本专利技术实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。如图1所示，本专利技术实施例提供的一种具有结构梯度的AlTiN涂层，包括TiN过渡层1、AlTiN梯度层2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有结构梯度的AlTiN涂层，其特征在于，包括TiN过渡层、AlTiN梯度层和AlTiN稳定层，所述TiN过渡层底部附着于硬质合金基体的表面，所述AlTiN梯度层的底部附着于所述TiN过渡层的顶部，所述AlTiN稳定层的底部附着于所述AlTiN梯度层的顶部，且所述AlTiN梯度层中Ti含量自底部向顶部递减，所述AlTiN梯度层中Al含量自底部向顶部递增，所述AlTiN稳定层中Ti、Al含量稳定且高于或等于所述AlTiN梯度层顶部的Ti、Al含量。

【技术特征摘要】
1.一种具有结构梯度的AlTiN涂层，其特征在于，包括TiN过渡层、AlTiN梯度层和AlTiN稳定层，所述TiN过渡层底部附着于硬质合金基体的表面，所述AlTiN梯度层的底部附着于所述TiN过渡层的顶部，所述AlTiN稳定层的底部附着于所述AlTiN梯度层的顶部，且所述AlTiN梯度层中Ti含量自底部向顶部递减，所述AlTiN梯度层中Al含量自底部向顶部递增，所述AlTiN稳定层中Ti、Al含量稳定且高于或等于所述AlTiN梯度层顶部的Ti、Al含量。2.如权利要求1所述的一种具有结构梯度的AlTiN涂层，其特征在于，所述TiN过渡层、所述AlTiN梯度层和所述AlTiN稳定层的总厚度为0.5-4.5μm，且所述TiN过渡层的厚度为0.05-0.4μm。3.一种具有结构梯度的AlTiN涂层的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1或2中任一项所述的具有结构梯度的AlTiN涂层，包括以下步骤：S1.将硬质合金基体装夹在PVD涂层炉体内的导电转架上，所述导电转架自转且绕所述PVD涂层炉的炉腔中心轴公转，对所述PVD涂层炉的炉腔加热，同时对所述PVD涂层炉抽真空；S2.调整所述PVD涂层炉的炉腔温度降低，对所述导电转架施加偏压，往所述PVD涂层炉腔通入氩气，对所述硬质合金基体进行氩气刻蚀；S3.所述氩气刻蚀完毕后，保持炉腔的温度不变，调整氩气的气流量降低，开启Ti靶，设置Ti靶弧电流，调整偏压降低，对所述硬质合金基体进行金属离子刻蚀；S4.所述金属离子刻蚀完毕后，停止通入氩气，调整偏压降低，同时调整Ti靶弧电流升高，通入氮气，并控制所述PVD涂层炉的炉腔气压，对所述硬质合金基体表面进行TiN沉积处理制备所述TiN过渡层；S5.所述TiN沉积后，调整升高所述PVD涂层炉的炉腔气压，调整偏压降低，开启AlTi靶，设定AlTi靶弧电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶康琳，
申请(专利权)人：锐胜精机深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44