本发明专利技术公开了一种高硬度高弹性模量ＣｒＡｌＮ保护涂层，沉积在基体上，其为两层结构，底层是Ｃｒ过渡层，厚度为４００－６００ｎｍ，外层是ＣｒＡｌＮ涂层，为致密的陶瓷涂层，厚度为２．２－２．９μｍ；本发明专利技术还公开了该保护涂层的制备方法，其首先将基体作表面抛光处理，经超声波清洗和离子清洗后，再采用直流或射频反应溅射法在基体上先后溅镀Ｃｒ过渡层和ＣｒＡｌＮ涂层。本发明专利技术不但具有高达３０ＧＰａ左右的硬度和３５０ＧＰａ以上的弹性模量，而且还具有高抗高温氧化能力和优良的耐腐蚀能力，可用作为高速、干式切削的刀具涂层和其他领域中基体的保护涂层，其制备方法具有工艺简单、沉积速度快、成本低、结合强度高等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种涂层材料，特别涉及一种高硬度高弹性模量的CrAlN保护涂层 及其制备方法，属于表面改性工程
技术介绍
随着金属切削技术不断向高速度、高精度方向的发展以及干切削技术的推广， 对切削刀具材料的性能提出了越来越高的要求即要求具备高硬度、高弹性模量、低摩 擦系数等优良力学性能和良好的抗高温氧化性能，因而在切削刀具的基体上涂覆性能优 良的涂层材料成为常用的改良切削刀具性能的方法。目前常用的TiN涂层的硬度约为23GPa，其抗氧化温度约为500°C ； TiCN涂层 的硬度大于40GPa，但其抗高温氧化温度仅为400°C ；目前应用前景最好的TiAlN涂层的 硬度为35GPa，其抗氧化温度约为800°C。CrN涂层因具有高的硬度、优良的耐磨性、低 的摩擦系数和残余应力以及耐蚀性等许多优点而引起人们的重视，但CrN的抗氧化温度 最高只有650°C，对于保护性的硬质涂层而言，当在高温环境下工作时，热稳定性就显得 尤为重要。CrAlN材料是在面心立方的CrN中加入Al后形成的亚稳态三元固溶体，研究 表明，CrAlN涂层具有比CrN涂层更好的耐磨性、更高的硬度以及更好的热稳定性和机 械加工性能，其抗氧化温度可以达到900°C以上。通过查文献得知，目前CrAlN涂层已经通过不同的物理气相沉积方法成功地制 得一类是硬度较高但弹性模量较低，而且制备过程能耗大，如采用阴极弧蒸镀获得硬 度为37GPa的涂层、采用闭合非平衡磁控溅射(P-CFUBMS)获得硬度为35GPa、弹性模 量为370GPa的涂层；另一类是不仅硬度、弹性模量较低，而且制备过程能耗也较大，如 采用RF磁控溅射获得硬度为30GPa、弹性模量为303GPa的涂层，采用脉冲偏压电弧离 子镀获得硬度为21.5GPa的涂层等。通过查新，检索到如下有关制备CrAlN涂层的中国专利申请号为92104556.5的专利涉及一种硬质涂层及其涂覆的工件和用其涂覆工件 的方法。该硬质涂层主要含(Al，Cr)203混晶，铬含量在5-50% at。用CVD或PVD 法在低于900°C，更好是低于500°C的温度下沉积，可以获得良好的抗氧化性能和加工性 能。申请号为200810109556.9的专利涉及一种用于切断、切槽和车削螺纹的硬质合 金刀片。该专利所述涂层包括不同Al/Ti比的两个(TiAl)N层内层AlyTLyN和外层 AlwTinN, y = 0.4-0.67，w = 0.15-0.35。外层为Ti/Al比率不同的交替结构。具有高的 抵抗塑性形变和耐磨性，可用于润滑条件下对钢和不锈钢进行切断、切槽和车削螺纹。申请号为200610045989.3的专利公开了一种在宽温度范围内抗高温腐蚀的CrN/ CrAlN防护涂层及其制备方法，其采用反应共溅方式获得内层为CrN、外层为Al，且含 量呈梯度分布的CrAlN层，表层达到0·α 8Α1α82Ν。具有很好的抗热腐蚀性能，可提高高 温合金在较宽的温度范围内抗氧化和热腐蚀性能。申请号为200680010263.4的专利涉及一种用于工具的多层硬质材料涂层，其具 有多层构造，至少包括一个(AlyCi^y)X层，X为N、C、B、O等元素之一，和(TizSi1J X。另外硬质材料涂层包括至少一个叠层，所述叠层包括(AlCrTiSi)X混合层，接着是另 外的(TizSi1JX层，接着是另外的(AlCrTiSi)X混合层，接着是另外的(AlyCivy)X层。 包括4、8、12个叠层。该多层硬质材料涂层具有高硬度、耐磨性和耐高温氧化性，可用 于机械制造和模具制造的构件、工具、切削工具、冲裁模具或者成型模具。上述现有的涂层材料均存在着硬度、抗氧化温度以及沉积效率无法兼顾的问 题，具有硬度和弹性模量不够高、抗高温氧化性差、生产效率低、能耗大等缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种具有高硬度、高弹性模量 和优异抗高温氧化性能的CrAlN保护涂层，其具有全面兼优的性能，可作为高速干式切 削的刀具涂层和其他领域的保护涂层。本专利技术还提供了所述CrAlN保护涂层的制备方 法，具有生产效率高、能耗低、工艺简单、对设备要求较低等优点。本专利技术解决其技术问题所采取的技术方案如下一种高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层，沉积在基体上，其为两层结构，底层 是Cr过渡层，厚度为400-600nm，外层是CrAlN涂层，厚度为2.2-2.9 μ m。本专利技术所述的高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层的CrAlN涂层为面心立方结 构，呈柱状晶生长，该CrAlN涂层的成分为Cri_xAlxN，0.4<x<0.6 ；所述基体为金属、硬 质合金、陶瓷或塑料。本专利技术的另一技术方案为一种制备上述高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层的方法，其采用反应溅射法制 备所述CrAlN保护涂层，方法步骤如下⑴清洗基体首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，在分析纯的无水酒精和丙酮中 利用15-30kHz超声波进行清洗5-lOmin;然后进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽 真空到5 X IO 3Pa后通入Ar气，维持真空度在2_4Pa，用中频对基体进行为时30min的离 子轰击，功率为80-100W;(2)溅镀底层的Cr过渡层将经清洗后的基体放进多靶磁控溅射仪，真空抽到3X10_3Pa，用直流或射频的 方式轰击Cr靶在基体表面上沉积厚度为400-600nm的Cr过渡层；溅镀的工艺参数为Ar 气流量l-30sccm;基体温度200-300°C ；气压O.l-l.OPa ；溅射功率 100-140W ；时间l-5min ；靶基距5cm ；(3)溅镀外层的CrAlN涂层将沉积了 Cr过渡层的基体放至CrAl合金靶前，用直流或射频的方式轰击CrAl 合金靶在Cr过渡层表面上沉积厚度为2.2-2.9 μ m的CrAlN涂层，该CrAlN涂层为面心立 方结构，呈柱状晶生长；溅镀的工艺参数为Ar 气流量10-50sccm，N2 气流量l_30sccm，Ar/N2 流量比为 1-9 ；气压0.2-0.6Pa ；电源直流或射频；时间90-140min ；靶基距5cm ；基体温度 25-400 C。 本专利技术所述制备高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层的方法中步骤(3)的八17^2流 量比为1-3 ；基体温度为200-300°C。本专利技术所述高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层所取得的有益效果是，该涂层具 有高硬度、高弹性模量和优异的抗高温氧化性能，经检测，其硬度高达30GPa左右、弹 性模量达350GPa以上，并且制备过程具有生产效率高、能耗低、对设备要求较低等优 点，本专利技术可用作为高速、干式切削的刀具涂层和其他领域中基体的保护涂层。附图说明图1是本专利技术的扫描电镜断面微观结构图。图2是本专利技术的XRD图谱。具体实施例方式现结合具体实施例和附图对本专利技术作进一步的详细说明。首先请参阅图1由扫描电镜所作的本专利技术的断面微观结构图，图示高硬度高弹 性模量CrAlN保护涂层沉积在基体上，该基体为金属、硬质合金、陶瓷或者塑料；所述 保护涂层为两层结构，其底层是Cr过渡层，厚度为400-600nm，外层是CrAlN涂层， 厚度为2-4μιη;该外层的CrAlN涂层的成分为CivxA本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高硬度高弹性模量ＣｒＡｌＮ保护涂层，沉积在基体上，其特征在于：所述涂层为两层结构，其底层是Ｃｒ过渡层，厚度为４００－６００ｎｍ，外层是ＣｒＡｌＮ涂层，厚度为２．２－２．９μｍ。
【技术特征摘要】
1.一种高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层，沉积在基体上，其特征在于所述涂 层为两层结构，其底层是Cr过渡层，厚度为400-600nm，外层是CrAlN涂层，厚度为 2.2-2.9 μ m。2.根据权利要求1所述的高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层，其特征在于所述 CrAlN涂层的成分为Ci^xAlxN, 0.4《x《0.6。3.根据权利要求1所述的高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层，其特征在于所述 CrAlN涂层为面心立方结构，呈柱状晶生长。4.根据权利要求1所述的高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层，其特征在于所述基 体为金属、硬质合金、陶瓷或塑料。5.一种制备权利要求1所述的高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层的方法，其特征在 于该制备方法采用反应溅射法制备所述CrAlN保护涂层，其方法步骤如下(1)清洗基体首先将经抛光处理后的基体送入超声波清洗机，在分析纯的无水酒精和丙酮中利用 15-30kHz超声波进行清洗5-lOmin;然后进行离子清洗，即将基体装进真空室，抽真空 到5 X IO 3Pa后通入Ar气，维持真空度在2_4Pa，用中频对基体进行为时30min的离子轰 击，功率为80-100W;(2)溅镀底层...
【专利技术属性】
技术研发人员：李伟，刘平，郑康培，马凤仓，刘新宽，陈小红，杨丽红，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31
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