被覆件及其製造方法
2023-05-28 04:26:16
專利名稱：被覆件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及ー種被覆件及其製造方法。
背景技術：
真空鍍膜エ藝在エ業領域有著廣泛的應用，其中，TiN薄膜鍍覆在刀具或模具表面能大幅提高刀具和模具的使用壽命。然而，隨著金屬切削加工朝高切削速度、高進給速度、高可靠性、長壽命、高精度和良好的切削控制性方面發展，對表面被覆件的性能提出了更高的要求。傳統的単一 TiN被覆件在硬度、韌性等方面已經不能滿足要求。ZrN薄膜由於其硬度與韌性均優於TiN薄膜而受到人們的廣泛關注。但單ー的ZrN薄膜在硬度、抗氧化性等方面幾乎已經沒有提高的空間，很難滿足現代エ業的需求。又知，CrN是ー種硬質薄膜材料，可作為超硬工具材料及表面保護材料。但由於CrN本身的硬度並不算很高(約18GPa)，使其在刀具或模具上的應用受到了限制，另外，上述ZrN或CrN硬質薄膜的抗氧化性效果不佳，鍍覆於刀具或模具表面不能起到良好的抗氧化作用，容易導致薄膜的失效。
發明內容
鑑於此，有必要提供ー種既具有高硬度又具有較佳抗氧化性能的被覆件。另外，還提供ー種上述被覆件的製造方法。ー種被覆件，該被覆件包括硬質基體，依次形成於該硬質基體上的過渡層、複合硬質層和抗氧化層，所述過渡層為鉻層，所述複合硬質層包括依次形成於過渡層上的氮化鉻層、氮化鉿和氮化鋁層，所述抗氧化層為氧化鋁層。—種被覆件的製造方法，包括以下步驟提供一硬質基體；於該硬質基體的表面磁控濺射鉻層；於該鉻層上磁控濺射氮化鉻層； 於該氮化鉻層上磁控濺射氮化鉿層；於該氮化鉻層上磁控濺射氮化鋁層；於該氮化鋁層上磁控濺射氧化鋁層。所述鉻層對複合硬質層中的氮化鉻層起到附著作用，其可很好地把硬質基體和複合硬質層更牢固地結合到一起。與此同時所述複合硬質層中依次形成的氮化鉻層、氮化鉿與氮化鋁層的結合可使複合硬質層更穩固，主要是因為氮化鉻層對鉻層有較強的附著力，同時作為外層的氮化鉿和氮化鋁都具有與硬質基體較相近的熱膨脹係數，因此界面處內應力小，從而使得外層的氮化鉿和氮化鋁層與氮化鉻層的結合力更強、韌性更高，且位於氮化鉻和氮化鋁之間的氮化鉿層的熱穩定性和化學穩定性都要優於其他的硬質材料，所以，依次濺射的氮化鉻和氮化鉿層可顯著提高被覆件的硬度和膜層耐脫落性。最後，在該複合硬質層磁控濺射氧化鋁層，其可以給上述的複合硬質層帶來更好的抗氧化性能，從而延長了產品的使用壽命。
圖I為本發明較佳實施例的被覆件的剖視圖；圖2為製造圖I中被覆件所用真空鍍膜機的俯視示意圖。主要元件符號說明被覆件10硬質基體11過渡層13
複合硬質層15氮化鉻層151氮化鉿層153氮化鋁層155抗氧化層17鍍膜機100鍍膜室20真空泵30軌跡21鉻靶22鋁靶23氣源通道2具體實施例方式請參閱圖1，本發明ー較佳實施例的被覆件10包括一硬質基體11，及依次形成於該硬質基體11上的過渡層13、複合硬質層15及抗氧化層17。該過渡層13為絡層。該複合硬質層15包括依次形成於硬質基體11上的氮化鉻層151、氮化鉿層153和氮化鋁層155。該氮化鉻層151、氮化鉿層153和氮化鋁層155可通過磁控濺射的方式形成。該抗氧化層17為氧化鋁層。本實施例中，該複合硬質層15的厚度為4 8iim。該硬質基體11的材質可以為聞速鋼、不鎊鋼等硬質金屬。本實施例中的被覆件10可為各類切削刀具、精密量具或模具。製作所述被覆件10的方法主要包括如下步驟提供硬質基體11。對該硬質基體11進行前處理。將所述硬質基體11放入盛裝有こ醇或丙酮溶液的超聲波清洗器中進行震動清洗，以除去硬質基體11表面的雜質和油汙。清洗完畢後烘乾備用。對經上述處理後的硬質基體11的表面進行氬氣等離子清洗，進ー步去除硬質基體11表面的油汙，以改善硬質基體11表面與後續塗層的結合力。提供一鍍膜機100，鍍膜機100包括一鍍膜室20及一用於對該鍍膜室20抽真空的真空泵30，該鍍膜室20內設有轉架(未圖示)，將硬質基體11固定於轉架上，轉架帶動硬質基體11沿圓形軌跡21公轉，且硬質基體11在沿軌跡21公轉時亦自轉。在該鍍膜室20側壁上各安裝鉻靶22、鋁靶23，並且鉻靶22、鋁靶23兩者關於軌跡21的中心相對稱。在鉻靶22、鋁靶23的兩端設有氣源通道24，氣體經由該氣源通道24吹出轟擊鉻靶22、鋁靶23的表面，以使鉻靶22、鋁靶23表面濺射出粒子。當硬質基體11分別通過鉻靶22、鋁靶23時，將鍍上鉻靶22、鋁靶23表面濺射的粒子。該等離子清洗的 具體操作及エ藝參數可為對該鍍膜室20進行抽真空處理至真空度為8. OX 10_3Pa，以300 500sCCm(標準狀態毫升/分鐘)的流量向鍍膜室20內通入純度為99. 999%的氬氣(工作氣體)，於硬質基體11上施加-300 -800V的偏壓，在所述鍍膜室20中形成高頻電壓，使所述氬氣離子化而產生氬氣等離子體對硬質基體11的表面進行物理轟擊，而達到對硬質基體11表面清洗的目的。所述氬氣等離子清洗的時間為3 IOmin0在對硬質基體11進行等離子清洗後，於該硬質基體11上形成所述過渡層13。形成該過渡層13的具體操作及エ藝參數如下以氬氣為工作氣體，調節氬氣流量為100 300sccm，於硬質基體11上施加-50 -200V的偏壓，設置偏壓的佔空比為30% 80%，並加熱鍍膜室20至100 150°C，以鉻靶22為靶材，設置其功率為8 13kw，沉積過渡層13。該過渡層13為ー鉻層。沉積該過渡層13的時間為10 30min。於該過渡層13上形成複合硬質層15。首先形成所述複合硬質層15中的氮化鉻層151。形成該氮化鉻層151的具體操作及エ藝參數如下以氬氣為工作氣體，調節氬氣流量為100 300sccm，通入流量為10 70sccm的反應氣體氮氣，於硬質基體11上施加-50 -200V的偏壓，設置偏壓的佔空比為30% 80%，並加熱鍍膜室20至100 1500C ;開啟鉻靶22，設置其功率為I 3kw，沉積氮化鉻層151。沉積該氮化鉻層151的時間為10 30min。於該氮化鉻層151上形成氮化鉿層153，具體操作及エ藝參數如下以氬氣為工作氣體，向所述鍍膜室20中通入流量為10 70sccm的反應氣體氮氣，以鉿靶23為靶材，設置鉿靶23的功率為I 4KW，施加於硬質基體11的偏壓為-100 -300V，設置偏壓的佔空比為30% 80%，氮氣流量為10 70SCCm，濺射溫度為100 200°C，沉積所述氮化鉿層153。沉積該氮化鉿層153的時間為60 90min。於該氮化鉿層153上形成氮化鋁層155，具體操作及エ藝參數如下以氬氣為工作氣體，設置氬氣流量為100 200sccm，保持氮氣流量為100 200sccm，對硬質基體11施加-50 -100V的偏壓，設置偏壓的佔空比為30% 50%，並加熱鍍膜室至100 150°C ；開啟鋁靶22，設置其功率為8 13kw，沉積該氮化鋁層155。沉積氮化鋁層155的時間為40 70min。所述鉻層13對複合硬質層15中的氮化鉻層151起到增強附著的作用。複合硬質層15中作為最外層的氮化鋁155具有與硬質基體11較相近的熱膨脹係數，因此界面處內應カ小，從而使得其與氮化鉿層153的結合力更強、韌性更高，且氮化153層與氮化鋁155的熱穩定性和化學穩定性都要優於其他的硬質材料，所以，依次濺射的氮化鉻151、氮化153和氮化鋁155層可顯著提高被覆件10的硬度。於該複合硬質層15上形成抗氧化層17，其具體操作及エ藝參數如下以氬氣為工作氣體，設置氬氣流量為100 200SCCm，以氧氣為反應氣體，設置氧氣流量為150 200sccm，對硬質基體11施加-50 -100V的偏壓，設置偏壓的佔空比為30% 50%，並加熱鍍膜室至100 150°C;開啟鋁靶22，設置其功率為8 13kw，沉積氧化鋁層17。沉積氧化鋁層17的時間為30 60min。控制氧化鋁層17的厚度為0. 5 I. 0 y m。被覆件10在加工使用時會產生高溫，通過在被覆件10外表面被覆ー層化學性能非常穩定的氧化鋁膜層17，可以保護被覆件10上的硬質塗層不因使用而加劇氧化，因此可以提高被覆件10的使用溫度，延長了被覆件10的使用壽命。以下結合具體實施例對被覆件10的製備方法及被覆件10進行說明實施例I等離子清洗氬氣流量為280SCCm，硬質基體11的偏壓為-300V，等離子清洗的時間為9分鐘； 濺鍍過渡層13 :通入氬氣lOOsccm，於硬質基體11上施加的偏壓為-50V，開啟鉻靶22，設置其功率為8kw，沉積時間為lOmin。濺鍍氮化鉻層151 :氬氣流量為lOOsccm，氮氣流量為lOsccm，開啟鉻靶22，設置其功率為lkw，對硬質基體11施加的偏壓為-100V，沉積20分鐘；濺鍍氮化鉿層153 :氬氣流量為lOOsccm，氮氣流量為lOsccm，開啟鉿靶23，在硬質基體11上施加-100V的偏壓，沉積60分鐘。濺鍍氮化鋁層155 :氬氣流量為lOOsccm，設置氮氣40sccm，開啟鋁靶23，在硬質基體11上施加-200V的偏壓，沉積40分鐘。濺鍍抗氧化層17 :以氬氣為工作氣體，其流量為150SCCm，以氧氣為反應氣體，設置氧氣的流量為50SCCm，在硬質基體11上施加-50V的偏壓，沉積時間為30min。實施例2等離子清洗氬氣流量為280SCCm，硬質基體11的偏壓為-300V，等離子清洗的時間為9分鐘；濺鍍過渡層13 :通入氬氣lOOsccm，於硬質基體11上施加的偏壓-100V，開啟鉻靶22，設置其功率為10kw，沉積時間為20min。濺鍍氮化鉻層151 :通入氬氣lOOsccm，氮氣流量為40sccm，開啟鉻靶22，設置其功率為2kw，設置硬質基體11的偏壓為-150V，沉積25分鐘；派鍍氮化鉿層153 氣流量為lOOsccm,設置氮氣40sccm,開啟鉿祀23,在硬質基體11上施加-200V的偏壓，沉積70分鐘。濺鍍氮化鋁層155 :氬氣流量為lOOsccm，設置氮氣40sccm，開啟鋁靶23，在硬質基體11上施加-200V的偏壓，沉積50分鐘。抗氧化層17 :以IS氣為工作氣體,其流量為150sccm,以氧氣為反應氣體,設置氧氣的流量為lOOsccm，在硬質基體11上施加-100V的偏壓，沉積時間為50min。實施例3等離子清洗氬氣流量為280SCCm，硬質基體11的偏壓為-300V，等離子清洗的時間為9分鐘；濺鍍過渡層13 :氬氣流量為lOOsccm，於硬質基體11上施加的偏壓-100V，開啟鉻靶22，設置其功率為13kw，沉積時間為30min。
濺鍍氮化鉻層151 :氬氣流量為lOOsccm，氮氣流量為70sccm，開啟鉻靶22，設置其功率為3kw，設置硬質基體11的偏壓為-300V，沉積30分鐘；濺鍍氮化鉿層153 :氬氣流量為lOOsccm，氮氣流量為70sccm，開啟鉿靶23，在硬質基體11上施加-300V的偏壓，沉積90分鐘。濺鍍氮化鋁層155 :氬氣流量為lOOsccm，設置氮氣40sccm，開啟鋁靶23，在硬質基體11上施加-200V的偏壓，沉積70分鐘。抗氧化層17 :以IS氣為工作氣體,其流量為150sccm,以氧氣為反應氣體,設置氧氣的流量分別為75SCCm，在硬質基體11上施加-150V的偏壓，沉積時間為60min。被覆件10的性能測試(I)硬度測試，具體測試方法如下採用MVK-Hll型維氏硬度計，在載荷為0. 025kg力的作用下，測試被覆件10的維
氏硬度。結果表明，由本發明實施例I至3所製造的被覆件10的維氏硬度分別為621HV、630HV及634HV。可見，該被覆件10具有較高的硬度。(2)高溫抗氧化測試，具體測試方法如下採用的測試儀器為管式熱處理爐，測試條件為升溫速率為10°C /min，熱處理溫 度為800°C，保溫時間為IOh。測試結果顯示，由本發明實施例I至3所製備的被覆件10經800°C熱處理IOh後均未見氧化、脫落等不良。
權利要求
1.ー種被覆件，該被覆件包括硬質基體，其特徵在於該被覆件還包括依次形成於該硬質基體上的過渡層、複合硬質層和抗氧化層，所述過渡層為鉻層，所述複合硬質層包括依次形成於過渡層上的氮化鉻層、氮化鉿和氮化鋁層，所述抗氧化層為氧化鋁層。
2.如權利要求I所述的被覆件，其特徵在於該複合硬質層的厚度為3 7pm。
3.如權利要求I所述的被覆件，其特徵在於該硬質基體的材質為高速鋼和不鏽鋼。
4.ー種被覆件的製備方法，包括以下步驟 提供一硬質基體； 於該硬質基體的表面磁控濺射鉻層； 於該鉻層上磁控濺射氮化鉻層； 於該氮化鉻層上磁控濺射氮化鉿層； 於該氮化鉻層上磁控濺射氮化鋁層； 於該氮化鋁層上磁控濺射氧化鋁層。
5.如權利要求4所述的被覆件的製備方法，其特徵在於磁控濺射所述氮化鉻層，以氬氣為工作氣體，調節氬氣流量為100 300s ccm，通入流量為10 70sccm的氮氣，對硬質基體施加偏壓-50 -200V，設置偏壓的佔空比為30% 80%，開啟鉻靶材，設置其功率為I 3kw。
6.如權利要求5所述的被覆件的製備方法，其特徵在於磁控濺射所述氮化鉻層的時間為20 30min。
7.如權利要求4所述的被覆件的製備方法，其特徵在於形成該氮化鉿層的エ藝參數為以鉿靶為靶材，設置鉿靶的功率為I 4KW，對硬質基體施加偏壓為-100 -300V，設置偏壓的佔空比為30% 80%，氮氣流量為10 70sccm，濺射時間為60 90min。
8.如權利要求7所述的被覆件的製備方法，其特徵在於形成該氮化鋁層的エ藝參數為氮氣流量為100 200sccm，對硬質基體施加-50 -100V的偏壓，設置偏壓的佔空比為30% 50%，開啟鋁靶，設置其功率為8 13kw，沉積氮化鋁層的時間為40 70min。
9.如權利要求4所述的被覆件的製備方法，其特徵在幹磁控濺射氧化鋁層的エ藝設置氬氣流量為100 200sccm，設置氧氣流量為150 200sccm，對硬質基體施加-50 -100V的偏壓，設置偏壓的佔空比為30% 50%，選擇鋁為靶材，設置其功率為8 13kw,沉積時間為30 60min。
全文摘要
本發明提供一種被覆件，該被覆件包括硬質基體、依次形成於該硬質基體上的過渡層、複合硬質層和抗氧化層，該過渡層為鉻層，該複合硬質層為氮化鉻層、氮化鉿和氮化鋁層，該抗氧化層為氧化鋁層。另外，本發明還提供了所述被覆件的製造方法，包括以下步驟提供硬質基體；於該硬質基體上磁控濺射依次形成過渡層、複合硬質層和抗氧化層。利用上述方法製備的被覆件既具有高硬度又具有較佳抗氧化性能。
文檔編號C23C14/35GK102650032SQ20111004448
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月23日 優先權日2011年2月23日
發明者張新倍, 杜豔娜, 蔣煥梧, 陳文榮, 陳正士 申請人:鴻富錦精密工業(深圳)有限公司, 鴻海精密工業股份有限公司