ＴｉＮ／（ＴｉＮ＋ＣｒＮ）／ＣｒＡｌＮ纳米复合涂层及其制备方法技术

本发明专利技术公开ＴｉＮ／（ＴｉＮ＋ＣｒＮ）／ＣｒＡｌＮ纳米复合涂层及其制备方法。该纳米复合多层涂层是在材质为硬质合金、高速钢、耐热模具钢的工具或模具基体上，依次由过渡层ＴＩＮ膜、（ＴｉＮ＋ＣｒＮ）纳米复合多层和ＣｒＡｌＮ纳米复合多层组成结构为ＴｉＮ／（ＴｉＮ＋ＣｒＮ）／Ｔｉ（ＣＮ）多层金属氮化物陶瓷涂层。其制备方法包括预加热、表面清洗刻蚀、过渡层制备、（ＴｉＮ＋ＣｒＮ）复合纳米多层层制备和ＣｒＡｌＮ纳米复合多层制备等步骤。本发明专利技术通过适当的涂层结构设计改善了ＣｒＡｌＮ系列涂层同基体的结合力，维持了ＣｒＡｌＮ涂层的高硬度和高温性能。

TiN / (TiNCrN) / CrAlN nano composite coating and preparation method thereof

The invention discloses TiN / (TiNCrN) / CrAlN nano composite coating and preparation method thereof. The nano composite coating is in multilayer material for tool or mold base hard alloy, high speed steel, heat-resistant steel mold, followed by the transition layer of TIN film, (TiNCrN) nano composite and multilayer CrAlN nanocomposite multilayer structure is TiN / (TiNCrN) / Ti (CN) multilayer metal nitride ceramic coating. The preparation method comprises pre heating, surface etching and transition layer preparation, (TiNCrN) composite nano multi layers and preparation of CrAlN nano composite multilayer preparation steps. The invention improves the bonding force of the CrAlN series coating with the substrate by the proper coating structure design, and maintains the high hardness and high temperature performance of the CrAlN coating.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工、模具纳米复合涂层，具体涉及一种。
技术介绍
近20年来，利用物理气相沉积技术(PVD)在工、模具表面制备先进硬质涂层的应用受到广泛关注。不仅出现了 TiAlN、 AlTiN、 AlCrN、 TiSiN、 A1203等耐磨涂层，还有MoS2、DLC、WC/C等各种润滑涂层，以及梯度涂层、纳米复合涂层等新的涂层结构，使涂层的性能大为提高。复合多层膜、纳米复合多层膜成为目前超硬涂层技术发展的重要方向。这些涂层不仅应用于切削刀具领域，也在模具行业得到一定程度的应用。涂层的硬度、抗高温性能及涂层同基体的结合强度成为评估涂层质量的重要指标。 CrN系涂层的氧化温度大约为60(TC。 90年代后的研究发现，涂层中部分Al替代Cr能够进一步提高涂层的硬度与红硬性。CrAlN系中Al含量是影响涂层硬度及抗氧化能力的重要因素。Cr。.4。Al,N膜优于Cr。.77Al。.23N膜(J. Lin， B. Mishra，Surface&CoatingsTechnology 202 (2008) :3272-3283)，硬度从25GPa提高到36Gpa，杨氏弹性模量从280GPa提高到380GPa ;且前者在80(TC退火1小试后，涂层的硬度仍可保持在25GPa以上。2006年Balzers公司推出的CrAlN(CRONITE )系列涂层具有优异的综合性能，该涂层的实用范围很广，从中低转速加工到高速加工均可实用，而且在中低转速时该涂层的加工效率和寿命明显优于目前大量使用的TiAlN系列先进涂层。但该涂层技术方案仍是商业秘密。 Al替代Cr后，涂层中内应力大幅度增加，弱化了涂层_基体合金的结合强度。复合涂层技术是解决这一问题的有效途径。TiN/CrAlN复合多层结构能够大大降低涂层内应力(M. Ok咖iya， Surface and Coatings Technology, 112 (1999) :123—128)。 ISCAR公司曾在2005年北京机械博览会展出工具钢表面PVD涂制超过lmm厚的TiN涂层，说明TiN涂层的内应力极低，涂层具有优异的韧性。 中国专利技术专利申请200610045989. 3公开了一种采用直流磁控溅射物理气相沉积(PVD)方法在宽温度范围内抗高温腐蚀的CrN/CrAlN防护涂层，涂层内层为CrN，而外层为Al含量呈梯度分布的Cr-Al-N层，化学式为Crl-xAlxN，其中Al含量x值变化范围0-0. 82，呈梯度变化，在靠近涂层表面达到最大值Cr。jAl。^N。该技术的特点在于涂层发挥了 CrN(内层)同基体材料优异的附着性和韧性；发挥Crl-xAlxN(外层)优异的抗高温腐蚀能力；采用成分梯度变化降低涂层内部残余应力(成分突变将带来的热物理性能参数、力学性能参数突变)。但采用单一磁控溅射技术，由于金属粒子的离化程度低，难以大幅度提高涂层同基体的结合强度。另外较厚、较低硬度的CrN内层(约12GPa)将影响整个涂层的硬度、损害涂层的耐磨性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种适合于工模具领域应用的 结合力高、硬度高、高温性能优异的TiN/(TiN+CrN)/CrAIN纳米复合涂层。 本专利技术的另一 目的在于提供上述TiN/ (TiN+CrN) /CrAIN纳米复合涂层的制备方法。 本专利技术的目的通过如下技术方案实现 —种TiN/ (TiN+CrN) /CrAIN纳米复合涂层该纳米复合多层涂层是在材质为硬质 合金、高速钢、耐热模具钢的工具或模具基体上，依次由过渡层TiN膜、(TiN+CrN)纳米复合 多层和CrAIN纳米复合多层组成结构为TiN/(TiN+CrN)/Ti (CN)多层金属氮化物陶瓷涂层。 TiN/(TiN+CrN)/CrAIN纳米复合涂层的制备方法，包括如下步骤和工艺条件 (1)工具或模具表面预处理将工具或模具置于碱性金属清洗液煮沸进行表面除 油；室温下将工具或模具置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机中超声处理；然后将清洗 后的工具或模具放入纯乙醇溶液脱水处理后干燥； (2)预加热将经过预处理的工具或模具装入反应炉中，抽真空达到5X 10—卞a后， 通入Ar气，维持真空度为1-4X10—屮a，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；HCD电子枪起弧 后，控制HCD电子枪电流为110-180A ;HCD电子枪源的直流等离子体弧直接照射工件表面， 直到真空室内温度达到100°C -200°C ; (3)表面清洗刻蚀通入Ar气维持室内真空度为1-4X10—屮a，调整HCD电子枪 电流为120-180A ;对工件施加300-800V脉冲偏压，启动阴极多弧钛耙，溅射出来的钛离子 在电场作用下轰击工件表面；在高能电子和金属离子共同作用下清洗和刻蚀工具或模具表 面；清洗刻蚀工具或模具30-60分钟，真空室内温度不超过300°C ; (4)过渡层制备关闭步骤(2)开动的阴极多弧钛靶，保持步骤(2)中Ar气通入 量，调节N2气通入量使镀膜炉真空室压力增加到1. 1-5. OX 10—屮a ;聚焦HCD电子枪直流电 弧于坩埚，HCD电子枪电流为130-180A ;蒸发坩锅中纯钛3-7分钟后关闭HCD电子枪，关闭 Ar气源；调节N2流量，保持真空压力为0. 5-1. 5Pa，工件施加300-400V偏压，启动至少2个 阴极多弧钛靶，耙电流为80-90A ;采用阴极多弧钛靶涂制10-20分钟； (5) (TiN+CrN)纳米复合多层制备关闭步骤(3)中阴极多弧钛靶；调节^通量，保 持真空室内压力为2. 0-10X 10—中a ;调整工件偏压，先启动1个阴极多弧钛靶和1个阴极多 弧铬耙，对工件施加200V脉冲偏压，施加6-12分钟后关闭，耙电流为70-80A ;再启动2个 阴极多弧钛靶和2个阴极多弧铬靶，则对工件施加150V偏压，施加6-12分钟后关闭，耙电 流为70-80A ; (6)CrAlN纳米复合多层制备仅通入N2，保持真空室内压力为1. 0_10X 10—中a ; 调整工件偏压为100-150V，启动至少2个阴极多弧CrAl合金耙，耙电流均为80-90A，镀 制时间20-40分钟，使整个TiN/(TiN+CrN)/CrAIN纳米复合涂层的厚度达到1_5 y m ;涂层 结束时真空室温度低于400°C ;按重量计，所述阴极多弧CrAl合金靶的靶材中Al成分占 50-70%。 为进一步实现本专利技术目的，步骤(1)所述的真空度优选为2. 3X 10—中a ;HCD电子枪 电流优选为130-160A。 步骤(3)所述的真空度优选为2. 3X 10—屮a。 步骤(4)所述的增加室内压力优选到2. 5-4. 1X10—卞a ;HCD电子枪电流优选为150A ;蒸发坩锅中纯钛优选5分钟后关闭HCD电子枪。 步骤(5)保持真空室内压力优选为0. 3-0. 5X 10—^a。 步骤(6)保持真空室内压力优选为0. 3-0. 5X 10—中a ;CrAl合金靶材为Cr4。Al6。；整个涂层厚度优选为2-3. 5 m。 与现有技术相比，本专利技术具有以下优点 (1)制备过程中HCD等离子体源用于加热工件、清洗刻蚀试样表面、作为Ti蒸发能 源。制备过程要求初始真空度<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种ＴｉＮ／（ＴｉＮ＋ＣｒＮ）／ＣｒＡｌＮ纳米复合涂层，其特征在于：该纳米复合多层涂层是在材质为硬质合金、高速钢、耐热模具钢的工具或模具基体上，依次由过渡层ＴＩＮ膜、（ＴｉＮ＋ＣｒＮ）纳米复合多层和ＣｒＡｌＮ纳米复合多层组成结构为ＴｉＮ／（ＴｉＮ＋ＣｒＮ）／Ｔｉ（ＣＮ）多层金属氮化物陶瓷涂层。

【技术特征摘要】
一种TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层，其特征在于该纳米复合多层涂层是在材质为硬质合金、高速钢、耐热模具钢的工具或模具基体上，依次由过渡层TIN膜、(TiN+CrN)纳米复合多层和CrAlN纳米复合多层组成结构为TiN/(TiN+CrN)/Ti(CN)多层金属氮化物陶瓷涂层。2. 根据权利1要求所述TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层的制备方法，其特征在于包括如下步骤和工艺条件(1) 工具或模具表面预处理将工具或模具置于碱性金属清洗液煮沸进行表面除油；室温下将工具或模具置于盛有碱性金属清洗液的超声清洗机中超声处理；然后将清洗后的工具或模具放入纯乙醇溶液脱水处理后干燥；(2) 预加热将经过预处理的工具或模具装入反应炉中，抽真空达到5x10—卞a后，通入Ar气，维持真空度为1-4x10—屮a，启动HCD电子枪及炉体内加热装置；HCD电子枪起弧后，控制HCD电子枪电流为110-180A ;HCD电子枪源的直流等离子体弧直接照射工件表面，直到真空室内温度达到100°C -200°C ;(3) 表面清洗刻蚀通入Ar气维持室内真空度为1-4x10—屮a，调整HCD电子枪电流为120-180A ;对工件施加300-800V脉冲偏压，启动阴极多弧钛耙，溅射出来的钛离子在电场作用下轰击工件表面；在高能电子和金属离子共同作用下清洗和刻蚀工具或模具表面；清洗刻蚀工具或模具30-60分钟，真空室内温度不超过300°C ;(4) 过渡层制备关闭步骤(2)开动的阴极多弧钛靶，保持步骤(2)中Ar气通入量，调节^气通入量使镀膜炉真空室压力增加到1. 1-5x10—屮a ;聚焦HCD电子枪直流电弧于坩埚，HCD电子枪电流为130-180A ;蒸发坩锅中纯钛3-7分钟后关闭HCD电子枪，关闭Ar气源；调节N2流量，保持真空压力为0. 5-1. 5Pa，工件施加300-400V偏压，启动至少2个阴极多弧钛耙，耙电流为80-90A ;采用阴极多弧钛耙涂制10-20分钟；(5) (TiN+CrN)...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭继华，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81[中国|广州]