一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层及其制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层及其制备工艺，属于复合涂层制备技术领域。所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层是由单层AlCrTiSiN及AlCrTiSiON叠加而成。该复合涂层采用电弧离子镀膜技术制备，具体制备时，靶材选取金属Cr靶、AlCrSi靶、AlTiSi靶，辉光放电清洗和离子轰击清洗后先沉积CrN过渡层，最后通入相应的反应气体，分别制备工作层和表面防护涂层。本发明专利技术涉及的多层复合涂层制备工艺简单，并且容易工业化生产。制备出的涂层具有良好的耐热性能，适用于高速切削，提高加工效率。

【技术实现步骤摘要】
一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层及其制备工艺
本专利技术涉及复合涂层制备
，具体涉及一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺。
技术介绍
随着工业的发展，高速钢、灰铸铁等高强度、高硬度材料的应用日益广泛，传统的涂层刀具越来越难满足高速切削、干切削等工艺要求。在实际加工过程中，上述材料中大量的碳化物硬质颗粒将参与切削过程，与刀具发生磨粒磨损，极大地降低了涂层刀具的耐磨性能和抗高温氧化能力。高熵合金涂层AlCrTiSiN相比于市面上常见的AlCrN、AlTiN等涂层，其硬度、强度、韧性及抗高温氧化性均得到大幅提升，适于在高速切削、干切削条件下加工使用，这得益于加入Si元素，在涂层内部形成Si3N4非晶相，起到细晶强化作用，且(Al,Cr,Ti)N纳米晶粒镶嵌于非晶Si3N4层中形成纳米复合结构，极大提高涂层的力学及摩擦学性能。在切削加工时，涂层表面易生成致密的(Al,Cr)2O3保护膜，具有良好的隔热效果，可提高涂层刀具使用寿命。为进一步提高涂层的抗高温氧化性能，对涂层表面进行预氧化处理，制备表面高温防护层，结合内部高硬度、高韧性的工作层，可使涂层刀具适用于超高速切削，能大幅度降低切削温度，显著提高涂层刀具使用寿命。本专利采用电弧离子镀膜技术在金属或硬质合金基体表面沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，此涂层可有效隔离刀具和工件，具有良好的热屏障和化学屏障作用，从而提高涂层刀具的加工效率和使役寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺，所制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层兼具高硬度、高耐磨性及高耐热能力。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，沉积于金属或硬质合金基体表面，所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层是由AlCrTiSiN层和AlCrTiSiON层叠加而成。所述AlCrTiSiN及AlCrTiSiON层均为单层，总沉积时间设置为3h。所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层膜/基结合强度均大于60N，磨损率均低于6.26×10-3μm3/N·μm。所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺是采用电弧离子镀膜技术在基体表面沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，靶材选择纯金属Cr靶、AlCrSi合金靶和AlTiSi合金靶；沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层时，先开启Cr靶，进行离子轰击清洗及过渡层制备。然后共同开启AlCrSi靶和AlTiSi靶，沉积AlCrTiSiN层，最后通入一定量氧气制备AlCrTiSiON表面防护涂层，分别控制镀膜时的沉积压强、反应气体流量以及各个靶的弧流参数，制备AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层。本专利技术在沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层时，弧流均设置为60～100A；开启AlCrSi靶和AlTiSi靶沉积AlCrTiSiN涂层时，设置基体偏压为-80～-120V(占空比60％～90％)，通入氩气和氮气调节沉积压强至1.5～3.0Pa；沉积AlCrTiSiON涂层时，氧气通入时间为5～15min；控制AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层总镀膜时间为3h，设置不同靶材开启时间及气体通入时间。当沉积AlCrTiSiN涂层时，通入氩气的流量为50sccm，通入氮气的流量为600sccm，总流量650sccm；沉积AlCrTiSiON涂层时，通入氩气流量为50sccm，通入氮气流量为600sccm，通入氧气流量为20sccm，总流量670sccm。所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺，具体包括如下步骤：(1)将清洗后的硬质合金基片、不锈钢片及硅片固定于镀膜室内旋转架上，将真空度抽至3×10-3Pa；加热至450℃；(2)先采用高的负偏压辉光放电清洗基体10～30min，辉光放电清洗后开启Cr靶，调整偏压依次至-800V、-600V、-400V和-200V对基体表面分别进行2分钟的离子轰击清洗，以除去基体表面污染层和氧化物。(3)开启Cr靶，并通入氮气、氩气制备CrN过渡层30min，以提高工作层与基体的结合强度(4)沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层。上述步骤(2)中，所述辉光放电清洗的过程为：将炉腔加热至200～500℃，通入氩气200～600sccm，设置脉冲偏压-600～-1000V，对基体进行辉光放电清洗。所述离子轰击清洗过程为：辉光放电清洗后，开启Cr靶，调整氩气流量为50～100sccm，在-800V、-600V、-400V和-200V负偏压条件下依次轰击清洗2min。上述步骤(3)中，沉积CrN过渡层的过程为：辉光放电清洗和离子轰击清洗后，设置偏压为-50～-100V(占空比60％～90％)，开启Cr靶，通入氩气流量为50sccm，氮气流量为200sccm，调节沉积压强至0.5～1.2Pa，沉积CrN过渡层10～30min。本专利技术的设计机理如下：本专利技术采用电弧离子镀技术在硬质合金片、SUS304不锈钢和单晶Si片上沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合薄膜。通过预氧化实验在AlCrTiSiN涂层表面制备一层AlCrTiSiON保护膜，在不明显降低AlCrTiSiN涂层的力学性能和摩擦学性能的前提下，大幅度提高涂层的耐热能力。表层氧化膜能有效阻止工作层内部被进一步氧化，具有良好的热屏障和化学屏障作用。在本专利技术AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层制备过程中，沉积温度对涂层性能有较大影响，当温度较低时，粒子动能较小，所制备的涂层组织较为疏松；当沉积温度过高时，粒子动能过大，反溅射现象严重，涂层性能有所下降。此外，含氧涂层脆性较大，制备表层氧化膜时，通氧时间过长会导致涂层在外载荷作用下易崩裂，降低涂层使用寿命；表层氧化膜过薄热屏障效果不明显。因此，本专利技术通过改变沉积温度及通氧时间来制备涂层，经优化得到性能最佳的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层。本专利技术的优点及有益效果如下：1、本专利技术制备的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层具有高的耐热能力，具有明显的隔热效果。2、AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层是由AlN、CrN、TiN等纳米晶镶嵌在Si3N4非晶层中形成的纳米复合结构，具有高硬度、耐磨性好、化学性能稳定等优点。3、AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层制备工艺较为简易且重复性好，制备的涂层应用前景广泛，适用于高速干切削各种难加工材料，大幅度提高切削效率及刀具使用寿命。4、AlCrTiSiN/AlC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，其特征在于：该涂层沉积于金属或硬质合金基体表面，所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层是由AlCrTiSiN层和AlCrTiSiON层叠加而成。/n

【技术特征摘要】
1.一种AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，其特征在于：该涂层沉积于金属或硬质合金基体表面，所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层是由AlCrTiSiN层和AlCrTiSiON层叠加而成。


2.根据权利要求1所述的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，其特征在于：所述AlCrTiSiN层和AlCrTiSiON层均为单层，两层总沉积时间3h。


3.根据权利要求1所述的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，其特征在于：所述AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层与基材的结合力大于60N，具有良好的耐磨性能，磨损率低于6.26×10-3μm3/N·μm。


4.根据权利要求1-3任一所述的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺是采用电弧离子镀膜技术在基体上沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层，靶材选择纯金属Cr靶、AlCrSi合金靶和AlTiSi合金靶；沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层时，先开启Cr靶进行离子轰击清洗和沉积CrN过渡层，然后共同开启AlCrSi靶和AlTiSi靶沉积AlCrTiSiN层，最后通入一定量氧气制备AlCrTiSiON表面防护涂层。分别控制镀膜时的沉积压强、反应气体流量以及各个靶的弧流参数，在基体表面制备AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层。


5.根据权利要求4所述的AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层的制备工艺，其特征在于：沉积AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层时，弧流均设置为60～100A；开启AlCrSi靶和AlTiSi靶沉积AlCrTiSiN层沉积时，设置偏压为-80～-120V(占空比60％～90％)，通入氩气和氮气使沉积压强调节至1.5～3.0Pa；沉积AlCrTiSiON涂层时，氧气通入时间为5～15min；控制AlCrTiSiN/AlCrTiSiON多层复合涂层总镀膜时间为3h，设置不同靶材开启时间及气体通入...

【专利技术属性】
技术研发人员：王铁钢，朱强，刘迁，张雅倩，刘艳梅，范其香，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：天津;12