一種Ti‑Ag‑N納米複合塗層及其製備方法與流程
2023-12-01 18:41:12 1
本發明屬於金屬材料表面沉積納米複合塗層技術領域，具體涉及一種氮化鈦銀(以下稱Ti-Ag-N)納米複合塗層及其製備方法。
背景技術：
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目前，隨著國家先進位造技術的發展，對傳統的硬質合金或者高速鋼刀具提出了越來越高的要求。以數控工具機為代表的機加工技術正朝著高速、高精度、高可靠性等方向發展。數控刀具表面塗層技術，尤其是以CVD及PVD製備的以TiN為代表的塗層刀具在提高各種合金的加工效率過程中獲得了廣泛的應用，以及隨後開發出TiC、TiCN、TiAlN、AlTiN、CrAlN等塗層被開發出來並獲得實際應用，但是因為切削過程中的高溫對塗層的氧化、切屑對塗層的粘著磨損以及塗層本身的脆性問題，上述合金的加工難題並未得到徹底解決。例如，TiAlN塗層具有高硬度及良好的抗高溫氧化性能，明顯提高了加工效率及刀具使用壽命，但其較高的脆性及摩擦係數，限制了TiAlN等塗層在高速、幹切削及難切削合金等材料的應用，還限制了其在高精度模具及其它耐磨減摩工件塗層方面的實際應用。
如何進一步降低TiAlN等塗層的脆性，突破當前塗層內應力大、膜基結合力差的問題，放置塗層在磨損之前因韌性較差而脫落上上述塗層需要繼續完善的目標。
為解決以上問題，在20世紀末提出了納米複合塗層的概念，即由納米晶-納米晶或納米晶-非晶形成的兩相或兩相以上的複合結構，該複合塗層得到了一定開發與應用，如Blazers、Platit等國際塗層大公司開發了電弧離子鍍製備的nc-TiN/a-Si3N4納米複合塗層，其抗高溫氧化性能和韌性得到了一定提高，但在實際應用中，nc-TiN/a-Si3N4納米複合塗層的高摩擦係數導致切削過程中產生大量熱量，塗層刀具前刀面依然產生積屑瘤，且其韌性仍有待進一步改善。
因此，製備一種能具有較高硬度與高韌性且具有較低摩擦係數的新型複合塗層，對進一步提高刀模具性能及使用壽命十分必要。
技術實現要素：
本發明的技術目的是針對現有塗層材料體系的不足，提供一種具有較高硬度與高韌性且具有較低摩擦係數的Ti-Ag-N納米複合塗層及其製備方法。
本發明實現上述目的採用的技術方案為：
一種Ti-Ag-N納米複合塗層，按離基體的遠近區分，從內到外依次包括：在基體表面Ti膜形成的過渡層、TiN膜形成的中間層和Ti-Ag-N層。所說的基體是指不鏽鋼、硬質合金、高速鋼、耐熱模具鋼的工具或模具等。
所說的Ti-Ag-N納米複合塗層的製備方法，其特徵在於：
(1)鍍過渡層：採用純鈦靶，當真空室內真空度達到2×10-3Pa～4×10-2Pa時，對真空室加熱至300～500℃；向真空室通入氬氣，設定所需的氣體流量為30～300sccm，氣壓控制在0.5～2Pa之間；基體加脈衝負偏壓在-500～-1000V範圍，使氣體發生輝光放電，對樣品進行輝光清洗10～60min；調整氬氣流量，使真空室氣壓為0.1～1.0Pa，同時開啟鈦靶弧源，弧電流為60～150A，對樣工件繼續進行Ti離子轟擊1～20min；調脈衝負偏壓至-100V～-600V，沉積Ti膜即過渡層1～10min；
(2)鍍TiN層：採用純鈦靶，停氬氣，通氮氣，設定氣壓為0.2～2Pa範圍；對基體施加脈衝負偏壓-100V～-500V；調節靶電流為50～150A，沉積時間為1～20min；
(3)鍍Ti-Ag-N層：停氬氣，通氮氣，氮氣流量控制在10～200sccm，設定氣壓為0.2～2Pa範圍；對基體施加脈衝負偏壓-100V～-600V；調製靶電流為60～200A，沉積時間為20～300min；
(4)沉積結束後，迅速停弧、停基體脈衝負偏壓、停止通入氣體，繼續抽真空，工件隨爐冷卻至100℃以下，打開真空室，取出工件，全部的鍍膜過程結束。
優選的，在所使用的鈦銀合金靶的靶材中，銀的含量為5-40％(重量百分比)。Ti-Ag-N納米複合塗層的厚度為1-10微米，Ti-Ag-N納米複合塗層的納米壓痕硬度值為30GPa以上，Ti-Ag-N納米複合塗層與鋼球對磨的摩擦係數在0.3以下。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：
1、本發明是在基體表面依次是Ti膜形成的過渡層、TiN膜形成的中間層和Ti-Ag-N層，膜基結合力達到60N以上，圖2為本發明沉積的Ti-Ag-N納米複合塗層樣品的膜基結合力測試曲線圖，從曲線可以看出，塗層的膜基結合力為64N，顯示出較高的結合力。
2、本發明選擇與TiN完全不固溶的Ag加入TiN薄膜中，不固溶的Ag偏析在TiN晶界位置，細化了TiN的晶粒尺寸，而Ag也以納米晶或非晶結構析出，容易發生塑性變形的金屬Ag的加入不僅大大降低了塗層內應力，提高了塗層硬度及斷裂韌性，而且對TiN的磨損起到潤滑和減摩作用，大大降低了塗層的摩擦係數。
附圖說明：
圖1為本發明沉積的Ti-Ag-N納米複合塗層的橫截面掃描電鏡圖；
圖2為本發明沉積的Ti-Ag-N納米複合塗層樣品的膜基結合力測試曲線圖。
具體實施方式：
一種Ti-Ag-N納米複合塗層，按離基體的遠近區分，從內到外依次包括：Ti膜形成的過渡層、TiN膜形成的中間層和Ti-Ag-N層。所說的基體是指不鏽鋼、硬質合金、高速鋼、耐熱模具鋼的工具或模具等。
具體的Ti-Ag-N納米複合塗層的製備方法，實施例如下：
實施例1
鍍過渡層：基材採用高速鋼(牌號為W18Cr4V)，試樣尺寸為25mm×10mm×2mm，鍍膜面尺寸為25mm×10mm。鍍膜前表面先經過研磨、拋光、超聲清洗、乾燥後，放入真空室樣品臺上，待真空室內真空度達到6×10-3Pa時，對真空室加熱至400℃，向真空室通入氬氣，設定氣體流量為100sccm，氣壓控制在2.0Pa，基體加脈衝負偏壓-800V，對樣品進行輝光清洗20min；然後，調整氬氣氣流量，使真空室氣壓調整為0.2Pa，同時開啟鈦靶弧源，弧流穩定在70A，對樣品進行Ti離子轟擊5min；調脈衝負偏壓至-300V，沉積Ti膜3min；而後，採用純鈦靶，停氬氣通入氮氣，調整氣壓為1.5Pa；調整基體脈衝負偏壓為-300V，調整靶電流為90A，沉積TiN膜3min；此後，進入納米複合塗層沉積過程，停純鈦靶，開啟鈦銀靶，氮氣氣壓調整為0.9Pa；調脈衝負偏壓-400V，調整靶電流為110A，沉積時間為60min；沉積結束後，迅速停弧、停基體脈衝負偏壓、停止通入氣體，繼續抽真空，工件隨爐冷卻至100℃以下，打開真空室，取出工件，鍍膜過程結束。
所得Ti-Ag-N納米複合塗層外觀為金黃色，掃描電鏡測試塗層的總厚度為3.1微米；納米壓痕測試塗層硬度為28.6GPa，聲發射劃痕儀測試塗層結合力為72N。
實施例2
基材採用硬質合金(牌號為YG6)，試樣尺寸為20mm×20mm×4mm，鍍膜面尺寸為20mm×20mm。鍍膜前表面先經過研磨、拋光、超聲清洗、乾燥後，放入真空室樣品臺上，待真空室內真空度達到4×10-3Pa時，打開氣體質量流量控制器，通氬氣到1.0Pa，基體加脈衝負偏壓至-600V，對樣品進行輝光清洗15min；然後，調整氬氣氣流量，使真空室氣壓調整為0.6Pa，同時開啟鈦靶弧源，弧流穩定在80A，對樣品進行Ti離子轟擊5min；調脈衝負偏壓至-300V，沉積Ti金屬層3min；而後，採用純鈦靶，停氬氣通入氮氣，調整氣壓為1.0Pa；調整基體脈衝負偏壓為-300V，調整靶電流為90A，沉積TiN膜6min；此後，進入納米複合塗層沉積過程，停純鈦靶，開啟鈦銀靶，氮氣氣壓調整為0.8Pa；調脈衝負偏壓-400V，調整靶電流為110A，沉積Ti-Ag-N膜30min；沉積結束後，迅速停弧、停基體脈衝負偏壓、停止通入氣體，繼續抽真空，工件隨爐冷卻至100℃以下，打開真空室，取出工件，鍍膜過程結束。
所得Ti-Ag-N納米複合塗層外觀為金黃色，掃描電鏡測試塗層的總厚度為1.6微米；納米壓痕測試塗層硬度為31.6GPa，聲發射劃痕儀測試塗層結合力為64N。
實施例3
基材採用高速鋼(牌號為W6Mo5Cr4V2)，試樣尺寸為20mm×10mm×2mm，鍍膜面尺寸為20mm×10mm。鍍膜前表面先經過研磨、拋光、超聲清洗、乾燥後，放入真空室樣品臺上，待真空室內真空度達到4×10-3Pa時，通氬氣到2.0Pa，基體加脈衝負偏壓至-700V，對樣品進行輝光清洗30min；然後，調整Ar氣流量，使真空室氣壓調整為0.3Pa，同時開啟鈦靶弧源，弧流穩定在80A，對樣品進行Ti離子轟擊8min；採用純鈦靶，停氬氣通入氮氣，調整氣壓為1.0Pa；調整基體脈衝負偏壓為-300V，調整靶電流為90A，沉積TiN膜6min；此後，進入納米複合塗層沉積過程，停純鈦靶，開啟鈦銀靶，調整氮氣氣壓為1.2Pa；調整基體脈衝負偏壓至-200V，調整靶電流為95A，沉積Ti-Ag-N膜60min；沉積結束後，迅速停弧、停基體偏壓、停止通入氣體，繼續抽真空，工件隨爐冷卻至100℃以下，打開真空室，取出工件，鍍膜過程結束。
所得Ti-Ag-N納米複合塗層外觀為金黃色，掃描電鏡測試塗層的總厚度為4.5微米；納米壓痕測試塗層硬度為30.1GPa，聲發射劃痕儀測試塗層結合力為79N。
實施例4
基材採用硬質合金(牌號為YT5)，試樣尺寸為20mm×20mm×4mm，鍍膜面尺寸為20mm×20mm。鍍膜前表面先經過研磨、拋光、超聲清洗、乾燥後，放入真空室樣品臺上，待真空室內真空度達到4×10-3Pa時，打開氣體質量流量控制儀，通氬氣到氣壓1.0Pa，基體加脈衝負偏壓至-1000V，對樣品進行輝光清洗10min；然後，調整Ar氣流量，使真空室氣壓調整為0.4Pa，同時開啟鈦靶弧源，弧流穩定在80A，對樣品進行Ti離子轟擊4min；而後，採用純鈦靶，停氬氣通入氮氣，調整氣壓為0.9Pa；調整基體脈衝負偏壓為-100V，調整靶電流為90A，沉積TiN膜6min；此後，進入納米複合塗層沉積過程，停純鈦靶，開啟鈦銀靶，調整氮氣氣壓為0.4Pa；調整基體脈衝負偏壓至-400V，調整靶電流為95A，沉積Ti-Ag-N膜60min；沉積結束後，迅速停弧、停基體偏壓、停止通入氣體，繼續抽真空，工件隨爐冷卻至100℃以下，打開真空室，取出工件，本次鍍膜過程結束。
所得Ti-Ag-N納米複合塗層外觀為金黃色，掃描電鏡測試塗層的總厚度為3.6微米；納米壓痕測試塗層硬度為32.1GPa，聲發射劃痕儀測試塗層結合力為73N。
以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。