本发明专利技术公开了一种高硬度高弹性模量ＣｒＡｌＮ／ＳｉＯ２纳米多层涂层材料，其由多个ＣｒＡｌＮ层和ＳｉＯ２层构成，各ＣｒＡｌＮ层和ＳｉＯ２层交替沉积在基体上形成纳米量级多层结构，其总厚度为１．９－２．２μｍ，每一ＣｒＡｌＮ层厚度为５ｎｍ，每一ＳｉＯ２层厚度为０．６－１．３ｎｍ；本发明专利技术还公开了该纳米多层涂层材料的制备方法，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，再采用反应溅射法在基体上交替溅镀ＣｒＡｌＮ层和ＳｉＯ２层。本发明专利技术不但具有高于３０ＧＰａ的硬度和高于３５０ＧＰａ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，可作为高速切削刀具及其它高温条件下服役耐磨工件的保护涂层，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/Si02纳米 多层涂层材料及其制备方法，属于材料表面改性工程
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。此前，研究人员William D.Sproul曾提 出采用两种氧化物制备纳米多层涂层使其兼备高硬度和优异的抗氧化性能的技术路线。通过查文献得知，纳米多层涂层目前已经通过多种方法成功制得，广泛用于二 元/氧化物或氮化物组合，取得不少有益的成果，如TiN/SiNx等。对现有技术的搜索发现为提高涂层性能，已有的技术，如美国专利 US6565957、US6638571、US5766782 和中国专利 95108982.X 等，采用 TiN 与 0.1-0.8nm 厚的Al2O3组合而达到提高抗氧化能力的目的，但由于Al2O3的硬度远低于氮化物而导致 涂层材料硬度和弹性模量的明显下降，从而限制了该涂层材料的应用。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 200910055596 和 200910055595 分别涉及一种 VC/Si3N4 和 TiC/Si3N4 纳 米多层涂层及其制备方法，属于陶瓷涂层领域。VC/Si3N4高硬度纳米多层涂层由VC层 和Si3N4层交替沉积在金属、硬质合金或陶瓷基体上形成，具有优良的高温抗氧化性，最 高达800°C的抗氧化温度而且具有高于40GPa的硬度。该专利技术用作为高速切削刀具尤其 是高速切削的铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。申请号为200810197656的专利涉及一种Ti_Si_N纳米涂层(纳米TiN/ α -Si3N4 涂层)的制备方法，以’解决现有反应磁控溅射法所制备涂层在工作环境下易于脱落的问 题，实现过渡层与涂层之间的冶金结合，从而提高涂层的力学性能。该方法具有生产效 率高、成本低的优点，制备的涂层与金属陶瓷刀具基体的临界载荷Lg65N，表面显微硬 度HV23400，适于制造用于高速干式铣削不锈钢、铁基高温合金、高强结构钢、耐磨铸钢和玻封合金等难切削材料的涂层刀具，在汽车、航空、航天和能源装备等制造行业具 有很好的推广应用前景。申请号为200410053490.8的专利涉及一种TiN/Si02多层涂层，其硬度高达40GPa且具有优良的抗高温氧化性。该涂层在Ar气氛中直接由TiN和SiO2陶瓷靶制得， 但因其沉积效率低而限制了在工业生产中的应用。 申请号为200610029134.1的专利涉及一种VN/Si02多层涂层，其在一定程度上 达到了高效、高硬度fe30GPa)和优良的抗高温氧化性。该专利所述涂层在Ar+N2气氛 中直接由V和SiO2陶瓷靶制得，因而具有沉积效率高的优点。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(AlyCVy)X和(TizSi1JX层，其中X为N、C、B、O等元 素之一。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/Si02纳米多层涂层材料，其采用三元氧化物的组合，由 CrAlN层和SiO2层交替沉积在基体上形成纳米量级的多层结构，以达到全面提高硬度、 弹性模量和抗高温氧化性能的效果，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/Si02纳米多层涂层材料的制备方法，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/Si02纳米多层涂层材料，其由多个CrAlN层和 SiO2层构成，各CrAlN层和SiO2层交替沉积在基体上形成纳米量级多层结构，其总厚度 为 1.9-2.2 μ m，每一 CrAlN 层厚度为 5nm,每一 SiO2 层厚度为 0.6-1.3nm。本专利技术所述的高硬度高弹性模量CrAlN/Si02纳米多层涂层材料的&02层厚度小 于l.Onm时被CrAlN所晶化，为面心立方结构；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所述的高硬度高弹性模量CrAlN/Si02纳米多层涂层材料的方法，采用 反应溅射法制备所述CrAlN/Si02多层涂层，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)交替溅镀CrAlN层和SiO2层将基体置入多靶磁控溅射仪并交替停留在CrAl靶和SiO2靶之前，在Ar+N2气氛 下，通过溅镀获得由多个CrAlN层和SiO2层交替叠加的纳米量级多层涂层，过程中调整 靶功率和沉积时间以控制每一涂层的厚度；溅镀的工艺参数为Ar 气流量10-50sccm，N2 气流量l_30sccm，CrAlN 层溅射功率 115.5-119.0W，时间 15s; SiO2 层溅射功率 80W，时间 6_14s ；靶基距 3_7c本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高硬度高弹性模量ＣｒＡｌＮ／ＳｉＯ２纳米多层涂层材料，其特征在于：所述涂层材料由多个ＣｒＡｌＮ层和ＳｉＯ↓［２］层构成，各ＣｒＡｌＮ层和ＳｉＯ↓［２］层交替沉积在基体上形成纳米量级多层结构，其总厚度为１．９－２．２μｍ，每一ＣｒＡｌＮ层厚度为５ｎｍ，每一ＳｉＯ↓［２］层厚度为０．６－１．３ｎｍ。
【技术特征摘要】
1.一种高硬度高弹性模量CrAlN/Si02纳米多层涂层材料，其特征在于所述涂层 材料由多个CrAlN层和SiO2层构成，各CrAlN层和SiO2层交替沉积在基体上形成纳米 量级多层结构，其总厚度为1.9-2.2 μ m，每一 CrAlN层厚度为5nm，每一 SiO2层厚度为 0.6_1.3nm。2.根据权利要求1所述的高硬度高弹性模量CrAlN/Si02纳米多层涂层材料，其特征 在于所述SiO2层厚度小于l.Onm时被CrAlN所晶化，为面心立方结构。3.根据权利要求1所述的高硬度高弹性模量CrAlN/Si02纳米多层涂层材料，其特征 在于所述基体为金属、硬质合金、陶瓷或塑料。4.一种制备权利要求1所述的高硬度高弹性模量CrAlN/Si02纳米多层涂层材料的方 法，其特征在于该制备方法采用反应溅射法制备所述CrAlN/Si02多层涂层，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...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘平，李伟，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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