反應磁控濺射TiN/SiO的製作方法

2023-05-07 07:19:31

專利名稱：反應磁控濺射TiN/SiO的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種硬質塗層的製備方法，具體是一種反應磁控濺射TiN/SiO2硬質納米多層塗層的製備方法。用於切削工具材料表面塗層製備技術領域。
背景技術：
切削速度≥100m/min的高速切削及不用或少用冷卻液的乾式切削由於其機械加工效率高，環境汙染少，正日益成為切削技術發展的主流。但這種加工技術對刀具塗層的性能提出了更高的要求，不僅要求刀具塗層硬度高，摩擦係數小，而且還需具有較高的抗氧化能力。現有的刀具塗層尚未全面滿足這些要求。如TiN塗層，硬度23±2GPa，氧化溫度約為500℃；TiCN塗層的硬度高達40GPa，抗氧化溫度卻只有400℃；目前最佳的TiAlN塗層硬度為35±5GPa，抗氧化溫度可達800℃，但仍不能滿足高速切削和乾式切削苛刻服役條件的需要。由於具有優良的高溫化學穩定性，氧化物陶瓷被公認為最具有潛在應用前景的硬質塗層，遺憾的是氧化物塗層的力學性能，尤其是硬度遠不及氮化物，單獨作為刀具塗層使用效果不佳。
經對現有技術的檢索發現，美國專利US6333099B1則提供了一種具有優良抗氧化性能的MeN/Al2O3納米多層塗層，這種多層塗層由層厚為0.1～30nm的MeN層和Al2O3層交替沉積而形成，其中MeN中的Me可以是Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W、Al等元素或者它們的混合物。該塗層總厚度為0.5～20μm，其硬度不低於組成物MeN和Al2O3單層塗層的硬度。雖然該專利提出的這種MeN/Al2O3納米多層塗層可以用化學氣相沉積方法(CVD)和物理氣相沉積方法(PVD)製備，但並未提供具體的製作細則。
中國專利(公開號CN1587434)提供了一種高硬度含氧化物TiN/SiO2納米多層塗層。這種塗層通過控制SiO2層的厚度，使SiO2層在小於1.2nm時，藉助於TiN層的晶體結構產生晶化，並與TiN層共格外延生長，形成多晶超晶格結構。這種超晶格結構特徵使得以上納米多層塗層呈現硬度和彈性模量升高的超硬效應，其硬度可達40GPa以上。並且，由於層狀SiO2的存在，這種多層塗層具有優良的高溫抗氧化性。但是，該專利提出的TiN/SiO2納米多層塗層的製備方法是在Ar氣氛中通過射頻濺射方法濺射TiN和SiO2陶瓷靶獲得的。這種製備技術雖然實現了在同一個真空室內同時製備氮化物(TiN)和氧化物(SiO2)，並且能夠實現很快的交替速度沉積周期變化的納米多層塗層，但是，其中採用的陶瓷靶的沉積效率遠低於採用金屬靶通過與反應氣體(如N2氣)進行反應濺射沉積塗層的效率，目前還未能達到實現工業規模化生產的水平。
此外，對於由氮化物和氧化物組成的納米多層塗層，雖然也可以採用雙氣源(即兩種反應氣體N2和O2)的方式，通過兩種反應氣體的不斷切換來分別反應濺射獲得氮化物和氧化物，但因氣體切換需要的時間較長，且對工業生產設備的要求較高，這種方法也不適用於納米多層塗層的工業化生產。

發明內容
針對以上氮化物/氧化物納米多層塗層製備效率偏低的問題，本發明提供了一種反應磁控濺射TiN/SiO2硬質納米多層塗層的製備方法，使其採用在Ar氣和N2氣的混合氣氛中反應磁控濺射製備TiN/SiO2納米多層塗層，可以獲得很高的塗層生長效率，滿足工業化生產具有高硬度和優異抗氧化性能、適用於高速切削的和乾式切削刀具塗層的需要。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明採用多靶磁控濺射塗層製備設備，金屬Ti靶和陶瓷SiO2靶分別由獨立的射頻陰極控制，在Ar和N2混合氣氛中進行反應磁控濺射。TiN/SiO2納米多層塗層中的TiN層通過濺射金屬Ti靶並與N2氣反應生成，而SiO2層則由SiO2化合物靶直接濺射獲得。多層塗層通過基體在Ti靶和SiO2靶前交替接受濺射形成層狀結構。
所述的反應磁控濺射，其濺射氣體為Ar，分壓為PAr＝0.4～0.5Pa。
所述的反應磁控濺射，其反應氣體為N2，分壓為PN2＝0.04～0.08Pa。
所述的反應磁控濺射，TiN層和SiO2層的厚度分別由兩靶的濺射功率以及基體停留於各靶前接受濺射材料的時間控制，並因受濺射時氮分壓的影響而略有變化。
所述的基體，是金屬、硬質合金或陶瓷，其沉積時的溫度＜200℃。
本發明提供的高效製備TiN/SiO2納米多層塗層的技術關鍵在於1)所採用的SiO2陶瓷是一種化學性質非常穩定的氧化物，本發明採用所述的反應磁控濺射技術製備的TiN/SiO2納米多層塗層中的SiO2層不會滲氮。2)所製備的TiN/SiO2納米多層塗層，其每個雙層周期中TiN層的厚度(4.0～15nm)遠大於SiO2層的厚度(0.3～1.3nm)。因而，只要提高TiN層的沉積速率，就可以使TiN/SiO2納米多層塗層的製備效率得到顯著提高，而本發明正是採用了金屬Ti靶直接與反應氣體N2氣反應濺射來沉積TiN層的，相比較於TiN陶瓷靶在Ar氣氛中的直接濺射，沉積速率得到了大幅提高。3)N2氣分壓在一定範圍內的改變(0.04Pa～0.09Pa)，對所得到的多層塗層的微結構和力學性能影響不大，給工業的實際生產操作帶來了便利。
本發明製得的多層塗層能夠獲得35GPa以上的硬度，並同時具有超過800℃的高溫抗氧化性。可應用於高速切削和乾式切削的刀具保護塗層以及其他耐磨的塗層的工業規模化生產。
具體實施例方式
本發明方法具體步驟如下1.採用具有可獨立控制的射頻陰極的多靶磁控濺射塗層設備；2.將金屬或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，安裝於真空室內可轉動的基片架上；3.將金屬Ti靶和化合物SiO2靶分別置於獨立的射頻陰極上。
4.真空室內背底真空≤10-3Pa後，向其中通入Ar、N2混合氣體，其中Ar氣分壓為0.4～0.5Pa，N2氣分壓為0.04～0.08Pa；5.轉動基片架，使基片分別於Ti靶和SiO2靶前接受濺射材料形成多層塗層。其中TiN層由金屬Ti靶與N2反應濺射獲得，而SiO2層則由SiO2陶瓷靶直接濺射製備。
6.納米多層塗層中各調製周期內TiN層和SiO2層的厚度通過各靶的濺射功率和基片在各靶前停留的時間控制。TiN/SiO2納米多層塗層由SiO2層和TiN層交替沉積在金屬或陶瓷的基體上組成，SiO2層的厚度為0.3～1.3nm，TiN層的厚度為4.0～15nm，如此交替沉積形成總厚度為2～5μm厚的TiN/SiO2納米多層塗層。
以下結合本發明內容提供實施實例實例一本發明TiN/SiO2多層塗層的製備方法的具體工藝參數為Ar氣分壓為0.4Pa，N2氣分壓為0.08Pa，Ti靶濺射功率為220W，沉積時間為15秒，SiO2靶濺射功率為40W，沉積時間為4秒，基片溫度＜200℃。由此得到的TiN/SiO2多層塗層中TiN層的厚度為4.6nm，SiO2層厚為0.3nm，塗層的硬度為35.3GPa。
實例二本發明TiN/SiO2多層塗層的製備方法的具體工藝參數為Ar氣分壓為0.4Pa，N2氣分壓為0.08Pa，Ti靶濺射功率為220W，沉積時間為15秒，SiO2靶濺射功率為40W，沉積時間為6秒，基體溫度＜200℃。由此得到的TiN/SiO2多層塗層中TiN層的厚度為4.6nm，SiO2層厚為0.5nm，塗層的硬度為40.0GPa。
實例三本發明TiN/SiO2多層塗層的製備方法的具體工藝參數為Ar氣分壓為0.4Pa，N2氣分壓為0.08Pa，Ti靶濺射功率為220W，沉積時間為15秒，SiO2靶濺射功率為40W，沉積時間為14秒，基體溫度＜200℃。由此得到的TiN/SiO2多層塗層中TiN層的厚度為4.6nm，SiO2層厚為1.3nm，塗層的硬度為32.6GPa。
實例四本發明TiN/SiO2多層塗層的製備方法的具體工藝參數為Ar氣分壓為0.4Pa，N2氣分壓為0.08Pa，Ti靶濺射功率為220W，沉積時間為50秒，SiO2靶濺射功率為40W，沉積時間為4秒，基體溫度＜200℃。由此得到的TiN/SiO2多層塗層中TiN層的厚度為14nm，SiO2層厚為0.6nm，塗層的硬度為36.6GPa。
實例五本發明TiN/SiO2多層塗層的製備方法的具體工藝參數為Ar氣分壓為0.4Pa，N2氣分壓為0.04Pa，Ti靶濺射功率為220W，沉積時間為15秒，SiO2靶濺射功率為40W，沉積時間為4秒，基體溫度＜200℃。由此得到的TiN/SiO2多層塗層中TiN層的厚度為6.5nm，SiO2層厚為0.5nm，塗層的硬度為41.0GPa。
權利要求
1.一種反應磁控濺射TiN/SiO2硬質納米多層塗層的製備方法，其特徵在於採用多靶磁控濺射塗層製備設備，金屬Ti靶和陶瓷SiO2靶分別由獨立的射頻陰極控制，在Ar和N2混合氣氛中進行反應磁控濺射，TiN層通過濺射金屬Ti靶並與N2氣反應生成，而SiO2層則由SiO2化合物靶直接濺射獲得，多層塗層通過基體在Ti靶和SiO2靶前交替接受濺射形成納米層狀結構。
2.根據權利要求1所述的反應磁控濺射TiN/SiO2硬質納米多層塗層的製備方法，其特徵是，包括以下步驟1)採用具有獨立控制的射頻陰極的多靶磁控濺射塗層設備；2)將經拋光和清洗乾燥後的陶瓷或金屬基材安裝於真空室內可轉動的基片架上；3)將金屬Ti靶和化合物SiO2靶分別置於獨立的射頻陰極上；4)真空室內背底真空≤10-3Pa後，向其中通入Ar、N2混合氣體；5)開啟控制Ti靶和SiO2靶的射頻陰極電源，使靶前產生等離子體，對靶進行濺射；6)轉動基片架，使基片分別於Ti靶和SiO2靶前接受濺射材料形成納米多層塗層，納米多層塗層中各調製周期內TiN層和SiO2層的厚度通過各靶的濺射功率和基片在各靶前停留的時間控制，交替沉積形成TiN/SiO2納米多層塗層。
3.根據權利要求1或者2所述的反應磁控濺射TiN/SiO2硬質納米多層塗層的製備方法，其特徵是，Ar氣分壓為0.4～0.5Pa，N2氣分壓為0.04～0.08Pa。
4.根據權利要求2所述的反應磁控濺射TiN/SiO2硬質納米多層塗層的製備方法，其特徵是，所述的基體，其沉積時的溫度＜200℃。
5.根據權利要求2所述的反應磁控濺射TiN/SiO2硬質納米多層塗層的製備方法，其特徵是，TiN層厚度為4.0～15nm，SiO2層厚度為0.3～1.3nm。
6.根據權利要求2或者5所述的反應磁控濺射TiN/SiO2硬質納米多層塗層的製備方法，其特徵是，TiN層和SiO2層的厚度分別由兩靶的濺射功率以及基體停留於各靶前接受濺射材料的時間控制。
全文摘要
一種反應磁控濺射TiN/SiO
文檔編號C23C14/06GK1888131SQ20061002913
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月20日 優先權日2006年7月20日
發明者孔明, 李戈揚, 劉豔, 戴嘉維 申請人:上海交通大學