一種兩相複合納米塗層的製作方法
2023-12-03 00:53:51
本發明涉及塗層領域，尤其涉及一種在工具機刀具上使用的複合塗層，屬於機械領域。
背景技術：
硬質塗層主要是通過氣相沉積方法，在刀具基體上沉積的高硬度耐磨防護塗層。目前，硬質塗層已廣泛應用於鑽頭、絲錐、立銑刀、鉸刀、可轉位銑刀片、焊接刀具等的防護處理，以及模具、耐磨機械零部件等的表面處理領域。通常，這類塗層具有極高硬度、極高耐磨性，結合刀具基體的高強度、高韌性等優點，塗層處理可顯著提高刀具的耐磨性而不降低其韌性，賦予刀具優異的綜合機械性能，進而延長切削刀具使用壽命，大幅提高機械加工效率。此外，硬質塗層塗覆於零部件可以有效地降低各零部件的機械磨損及高溫氧化傾向，從而延長機械零部件的使用壽命，這些良好的綜合性能使得硬質塗層在工業材料尤其是刀具材料中有著重要的應用前景。
刀具塗層技術較好地解決了刀具材料硬度和耐磨性越高而韌性和強度越差的矛盾，大大提高了切削刀具的耐用度、適用性和工作效率。自塗層刀具被應用以來，刀具塗層技術取得了飛快的發展，塗層種類也越來越多。tic和tin體系是使用最多的刀具塗層材料。tic塗層硬度高，但脆性大，不耐衝擊，使用溫度不能超過500℃。tin韌性好，使用溫度可達到600℃，也是目前工藝最為成熟和應用最為廣泛的刀具塗層材料，但硬度低。
技術實現要素：
為了解決上述問題，本發明設計了一種兩相複合納米塗層，以達到提高硬質塗層的硬度和韌性的發明目的。
為實現上述發明目的，本發明採取的技術方案如下：
本發明提供了一種兩相複合納米塗層，所述兩相分別為金屬相和陶瓷相，陶瓷相為納米結構，金屬相包圍在陶瓷相納米周圍，形成網絡結構；其中陶瓷相為納米tic或tin；所述金屬相為ti、cu、或ni；
本發明還提供了製備上述兩相複合納米塗層的方法,採用多靶位、靶材基座能旋轉選擇工作靶材的濺射設備；
襯底採用單晶矽片；先對襯底進行處理，將襯底分別在丙酮和乙醇中各超聲清洗20min，烘乾；
將襯底固定於濺射設備的樣品架上置於濺射靶前，安裝靶材在靶位上，靶材包括金屬靶及合金靶，分別安裝在靶座的在不同的靶位上；靶基距為16cm；腔體溫度加熱至300℃，抽真空至4.0×10-3pa以下，通入氣壓為1.0pa的ar氣，基體偏壓-350v，對襯底進行輝光刻蝕25min；
開啟高功率脈衝電源，通入ar氣20sccm，保持腔體氣壓0.35pa，調整偏壓-50--300v，頻率為350khz，旋轉靶座，靶座旋轉速率為2r/min，使得金屬靶及合金靶輪流在濺射位；採用脈衝濺射，脈衝電壓700v，脈寬180μs，頻率100hz，靶功率850w；沉積時間為100-150min，膜層厚度800-1000nm。
本發明的有益效果：本發明提供的兩相複合納米塗層，其金屬相為軟相，包圍硬相陶瓷相納米結構形成網絡的微觀結構的設計使得本塗層綜合塗層緻密、具有良好的韌性和硬度的優點，從而達到高硬度、高韌性、高耐磨的塗層優點。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明的進一步說明。採用的沉積系統為的腔體尺寸：φ800×800mm；真空可低於1×10-5torr；加熱溫度可達500℃；氣體流量0-100sccm；濺射靶基座：：可承載至少2個濺射靶材的轉盤，可旋轉。
實施例1
襯底採用單晶矽片、玻璃片、鋼片；對襯底進行處理，將襯底分別在丙酮和乙醇中各超聲清洗20min，烘乾；
將襯底固定於濺射設備的樣品架上置於濺射靶前，金屬靶材為ti靶，合金靶靶為tic，靶基距為16cm；腔體溫度加熱至300℃，抽真空至4.0×10-3pa以下，通入氣壓為1.0pa的ar氣，基體偏壓-350v，對襯底進行輝光刻蝕25min；
開啟高功率脈衝電源，通入ar氣20sccm，保持腔體氣壓0.35pa，調整偏壓-50--300v，頻率為350khz，旋轉靶座，靶座旋轉速率為2r/min，使得金屬靶及合金靶輪流在濺射位；採用脈衝濺射，脈衝電壓700v，脈寬180μs，頻率100hz，靶功率850w；沉積時間為100-150min，膜層厚度800-1000nm。ti金屬的質量含量約為18%。
實施例2
襯底採用矽片；對襯底進行處理，將襯底分別在丙酮和乙醇中各超聲清洗20min，烘乾；
將襯底固定於濺射設備的樣品架上置於濺射靶前，將靶材純金屬靶cu和合金靶tin分別安裝在靶材基座上的兩個不同靶位上，靶基距為16cm；
腔體溫度加熱至300℃，抽真空至3.0×10-3pa以下，通入氣壓為1.0pa的ar氣，基體偏壓-300v，對襯底進行輝光刻蝕20min；去除襯底表面的雜質及氧化層；
開啟高功率脈衝電源，通入ar氣20sccm，保持腔體氣壓0.35pa，調整偏壓-50--300v，頻率為350khz，旋轉靶座，靶座旋轉速率為2r/min，使得金屬靶及合金靶輪流在濺射位；採用脈衝濺射，脈衝電壓700v，脈寬180μs，頻率100hz，靶功率850w；沉積時間為100min，膜層厚度700nm。co金屬的質量含量約為21%。
實施例3
襯底採用矽片；對襯底進行處理，將襯底分別在丙酮和乙醇中各超聲清洗20min，烘乾；
將襯底固定於濺射設備的樣品架上置於濺射靶前，設備有三個靶位，將一塊純金屬靶ni和兩個合金靶tic分別安裝在靶材基座上的不同靶位上，靶基距為16cm；
腔體溫度加熱至300℃，抽真空至4.0×10-3pa以下，通入氣壓為1.0pa的ar氣，基體偏壓-300v，對襯底進行輝光刻蝕20min；去除襯底表面的雜質及氧化層；
開啟高功率脈衝電源，通入ar氣20sccm，保持腔體氣壓0.35pa，調整偏壓-50--300v，頻率為350khz，旋轉靶座，靶座旋轉速率為2r/min，使得金屬靶及合金靶輪流在濺射位；採用脈衝濺射，脈衝電壓700v，脈寬180μs，頻率100hz，靶功率850w；沉積時間為150min，膜層厚度1100nm。ni金屬的質量含量約為10%。
實施例4
襯底採用鋼片；對襯底進行處理，將襯底分別在丙酮和乙醇中各超聲清洗20min，烘乾；
將襯底固定於濺射設備的樣品架上置於濺射靶前，將靶材純金屬靶ti安裝在靶材基座上上，靶基距為16cm；
腔體溫度加熱至300℃，抽真空至3.0×10-3pa以下，通入氣壓為1.0pa的ar氣，基體偏壓-300v，對襯底進行輝光刻蝕20min；去除襯底表面的雜質及氧化層；
將ti靶置於工作位置；脈衝的交替通入n2和ar，n2流量10sccm，ar通入流量20sccm，開啟高功率脈衝電源，脈衝負偏壓-300v，頻率為350khz，靶功率850w；交替沉積ti及tin膜層；沉積時間為120min，膜層厚度約800nm。
本發明製備的金屬為界面的納米複合塗層，將金屬軟相和陶瓷硬相兩相複合組成納米塗層。目前金屬在納米複合塗層中以金屬界面相存在，複合塗層硬度可達60gpa。
最後要說明的是，以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明。對於本領域的技術人員，依然可以參照本發明各實施例所記載的技術方案進行修改、等同替換。凡在本發明的精神或原則之內所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。