納米超晶格結構的超硬複合膜刀具及其沉積方法

2023-12-06 03:33:11

專利名稱：納米超晶格結構的超硬複合膜刀具及其沉積方法
技術領域：
本發明涉及新材料技術領域中一種超硬複合膜刀具及其沉積方法，具體地說，涉及靶的設置及靶材成分。
背景技術：
在金屬切削刀具的表面用真空離子鍍的方法鍍一層硬質膜，可以大幅提高刀具的使用壽命，已經成為高檔刀具製造不可缺少的工序。隨著現代製造業的飛速發展，對刀具塗層提出了越來越高的要求，通常使用的氮化鈦(TiN)、碳化鈦(TiC)和氮化鈦鋁(TiAlN)等已不能滿足需要。
目前，國際上不斷湧現新的超硬膜應用於金屬切削刀具塗層。英國的P.Eh.Hovsepian等採用磁控濺射和陰極電弧離子鍍相結合的方法，沉積納米超晶格結構TiAlN/TiAlYN/和TiAlN/CrN超硬膜，[J].P.Eh.Hovsepian，D.B.Lewis，W.D.munz，Surf.coat.Technol.133-134(2000)166-175；P.Eh.Hovsepian，W.D.munz，Vacuum69-(2003)27-36)。該膜的最高顯微硬度高達55-60GPa，抗氧化溫度超過900℃。
為了將這一優質超硬膜應用於切削刀具實現產業化，還需要完善刀具塗層的膜系設計，才能保證現代加工業對刀具塗層的技術要求。上述技術距離生產實用還有相當大的差距。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的缺點和不足，提供一種適用工業化生產的納米超晶格結構的超硬複合膜刀具及其沉積方法。要求複合膜除了具有較高的顯微硬度和耐氧化性外，還應具有牢固的附著力和低摩擦係數的表面自潤滑性能，生產低成本和高生產效率；這要求是工業生產型設備不可缺少的。
本發明的目的是這樣實現的1、複合膜的膜系設計金屬切削刀具和模具使用的超硬複合膜，要求具有「超硬、強韌、耐溫、低磨損、自潤滑」和很高的附著力。很顯然，任何單一材料都不能全面滿足上述技術要求。沉積超硬複合膜應向著多元化、多層膜的方向發展。
如圖1所示，在刀具8上的第一層為起粘附作用的過渡層A，第二層為主耐磨層——納米超晶格結構超硬膜(TiAlN/TiAlYN/TiAlN/CrN，簡稱超硬膜)B，第三層為低摩擦係數的自潤滑膜C，全部膜層在一臺鍍膜機上一次完成；所述的過渡層A為摻釔的氮化鈦(TiN)或碳化鈦(TiC)複合膜；所述的超硬膜B為n層氮化鈦鋁(TiAlN)B1、摻釔(Y)的氮化鈦鋁(TiAlYN)B2、氮化鈦鋁TiAlN B1、氮化鉻(CrN)B3；1000≤n≤9000。
所述的自潤滑層C為一種摻鉻(Cr)的類金剛石膜(DLC-Cr)。
2、工作靶的設置本發明在多靶位真空離子鍍膜機上沉積超晶格結構的超硬複合膜，該鍍膜機由真空室4、爐門5、工件架6、抽氣口7、電源及控制系統等組成。
由圖2可知，本發明在真空室4中共設置有內靶1、外靶2，中靶3；具體地說，在真空室4內靠外壁處，反時針方向依次設置有內一靶1.1、內二靶1.2、內三靶1.3、內四靶1.4，互為90度，呈對稱分布；在真空室4內中心處φ45cm的圓圈上反時針方向依次設置有中一靶3.1、中二靶3.2、中三靶3.3、中四靶3.4，分別與內一靶1.1、內二靶1.2、內三靶1.3、內四靶1.4，相對；由於中靶3與內靶1相對，構成對靶磁場耦合，即靶的外圈磁體極性相反。其結果是置於工件架6上的工件8浸沒在中靶3與內靶1耦合的磁場中，提高了等離子體的密度，因而能提高膜的沉積速率和膜的緻密度。
在真空室4的外壁上，外一靶2.1設置在內一靶1.1和內二靶1.2中間；外二靶2.2設置在內三靶1.3和內四靶1.4中間。
內一靶1.1的靶材為純鉻，內二靶1.2的靶材為鈦鋁(TiAl)合金，內三靶1.3的靶材為摻釔的鈦鋁(TiAlY)合金，內四靶1.4的靶材為鈦鋁(TiAl)合金；外靶2的靶材為鈦釔(TiY)合金；
中靶3的靶材為高純石墨。
3、沉積複合膜的步驟(1)沉積過渡層A根據工件的材質類別，選擇欲鍍過渡層的材料，例如，高速鋼類金屬切削刀具，通常採用氮化鈦(TiN)作為過渡層；而硬質合金類刀具，宜採用碳化鈦(TiC)作為過渡層。這樣可提高附著力和沉積膜與基體材料的匹配性。本發明無論沉積氮化鈦(TiN)還是碳化鈦(TiC)，都採用鈦合金為靶材。在鈦靶中加入7at.％的稀土元素釔(Y)，可以使生成的氮化鈦(TiN)或碳化鈦(TiC)晶粒細化，從而提高鈦與基體材料的浸潤性和沉積膜與基體的附著力。
利用二套矩形平面的外靶2完成，外靶2的靶材為鈦釔(TiY)合金；氬氮(Ar-N2)混合氣為工作氣體，沉積摻釔的氮化鈦(TiN)或碳化鈦(TiC)過渡層，控制其膜厚0.3-0.5μm。
(2)沉積超硬膜B利用四套內靶1沉積超硬膜B；其中內二靶1.2、內四靶1.4的靶材為鈦鋁(TiAl)合金，其化學組成為35Ti-65Al at.％；其中內三靶1.3的靶材為摻釔(Y)的鈦鋁(TiAlY)合金，其化學組成為48Ti-48Al-4Y at.％；其中內一靶1.1採用純鉻靶材。沉積超硬膜時，四套內靶1同時啟動，氬氮(Ar-N2)混合氣為工作氣體。當工件8在真空室內旋轉一周時，在工件8上依次鍍了四層膜，它們依次是TiAlN/TiAlYN/TiAlN/CrN。因其化學成分不同和晶格常數的差異而形成了明顯的界面。調控工件8的旋轉速度，就可以在一定範圍調製每一層沉積膜的厚度。隨著工件不斷旋轉鍍膜，將周期性重複沉積上述膜層。如果鍍膜時間為2-3小時，沉積膜將疊合幾千層上述薄膜，這種結構的薄膜就是超晶格結構超硬膜B，它將出現物理學上的稱之為超模量和超硬度效應，超硬膜B將獲得組成它的膜層常規顯微硬度2-5倍的超高硬度。超硬膜B必須控制它的調製周期的厚度為納米尺度量級，如果控制該膜每一沉積周期膜厚度為3-8nm，超硬膜B的硬度將出現極大值。控制超硬膜B的總厚度為3-5μm。本發明沉積的這種超硬膜B的顯微硬度一般大於40GPa，最高可達58GPa，耐氧化溫度高於950℃。
(3)沉積自潤滑膜C在超硬膜的表面再沉積一層低摩擦係數的自潤滑膜，可以降低金屬切削刀具的切削力，減少模具使用中的磨耗，對於提高刀具和模具的使用壽命具有重大意義。
本發明利用中靶3和內一靶1.1完成。
自潤滑膜是一種摻鉻(Cr)的類金剛石膜(DLC-Cr)。中靶3的靶材為高純石墨，內一靶1.1的靶材為純金屬鉻。運行時，上述靶同時啟動，氬(Ar)為工作氣體。調控石墨靶和鉻靶的工作電流，使摻鉻(Cr)的類金剛石膜(DLC-Cr)中含鉻(Cr)的比率為4-8at.％。此時的自潤滑膜具有最低摩擦係數和磨損率，它們分別是μ＝0.05-0.09，Kc＝1.0×10-17m3/mN；類金剛石膜(DLC-Cr)的顯微硬度在20-25GPa範圍內。
本發明具有以下優點和積極效果①按本發明沉積出的納米超晶格結構超硬膜B，具有較高的顯微硬度和耐氧化性，大大超過了常規的刀具塗層的性能。
②本發明是一套完整的刀具優質塗層鍍膜技術，它將起粘附作用的過度層A、主耐磨層B和表面自潤滑層C非常完美地結合起來，使這種刀具優質塗層能適應現代製造業對金屬切削刀具非常苛刻的技術要求，提高了高檔刀具的使用壽命。
③本發明提供的適合產業化生產實際的鍍膜方法，具有生產效率高、塗層質量好、生產成本低的特點，對於各種類型的高速鋼刀具、硬質合金刀具和陶瓷刀具，以及各種模具都有廣泛的應用價值。


圖1-複合膜的膜系設計示意圖；圖2-真空離子鍍膜機真空室橫截面示意圖。
其中A-過渡層；B-納米超晶格結構超硬膜(TiAlN/TiAlYN/TiAlN/CrN)，簡稱超硬膜，包括B1-氮化鈦鋁(TiAlN)；B2-摻釔氮化鈦鋁(TiAlYN)；B3-氮化鉻(CrN)；
C-自潤滑膜。
1-內裝磁控濺射靶，簡稱內靶，包括1.1-第一內裝磁控濺射靶，簡稱內一靶，靶材為純鉻；1.2-第二內裝磁控濺射靶，簡稱內二靶，靶材為TiAl合金；1.3-第三內裝磁控濺射靶，簡稱內三靶，靶材為TiAlY合金；1.4-第四內裝磁控濺射靶，簡稱內四靶，靶材為TiAl合金。
2-電弧靶，簡稱外靶，包括2.1-第一電弧靶，簡稱外一靶，靶材為TiY合金；2.2-第二電弧靶，簡稱外二靶，靶材為TiY合金。
3-中心磁控濺射靶，簡稱中靶，包括3.1-第一中心磁控濺射靶，簡稱中一靶，靶材為高純石墨；3.2-第二中心磁控濺射靶，簡稱中二靶，靶材為高純石墨；3.3-第三中心磁控濺射靶，簡稱中三靶，靶材為高純石墨；3.4-第四中心磁控濺射靶，簡稱中四靶，靶材為高純石墨。
4-真空室。
5-爐門。
6-工件架。
7-抽氣口。
8-工件。
具體實施例方式
1、超硬複合膜的沉積工藝①工件裝爐將工件8化學清洗乾淨，經脫水烘乾處理後，裝到工件架6上，全部操作要保持工件8及工件架6的潔淨度。
②抽真空及工件烘烤工件8安放完畢後，關閉真空室4的爐門5，按真空機組的使用規程，對真空室4抽高真空至3×10-3Pa，然後開啟烘烤加熱電源，工件轉速4-6圈/分鐘，烘烤溫度始終控制在350-400℃，烘烤溫度達標後進入下步操作。
③輝光離子清洗通入氬(Ar)氣，控制氣壓為2Pa，開啟脈衝偏壓電源，將電壓慢慢調升至1200V，佔空比為80％，工件轉速同上，此時工件處於輝光離子清洗中，進一步清除工件表面的沾汙物，清洗時間20分鐘。
④高能鈦離子轟擊減小氬(Ar)氣流量使氣壓降為3×10-2Pa，工件8轉速和偏壓電源保持上一步工作參數。開啟外靶2，控制靶的弧電流150-160A。電弧蒸發的鈦和釔的離子(Ti+，Y+)，以很高的能量轟擊工件表面，清除工件表面化學吸附的雜質氣體和其它汙染物，並使部分Ti+和Y+離子摻入工件基體表面層以下3-5nm，以提高沉積膜的附著力。
⑤沉積TiYN過渡層A將偏壓電源調至200-250V，佔空比40-50％，通入Ar-N2混合氣，Ar∶N2＝1∶8，調控氣壓為0.5Pa，工件8轉速4-6圈/分鐘，外靶2的工作參數保持上一步工藝，沉積TiYN過濾層，沉積時間30分鐘。
⑥沉積超硬膜B改變N2-Ar混合氣混合比為Ar∶N2＝3∶1，工作氣壓、工件轉速和偏壓電源工作參數不變。開啟真空室4周壁的四套內靶1，除內一靶1.1的濺射功率控制為10KW外，其餘內二靶1.2、內三靶1.3、內四靶1.4的濺射功率控制在18KW左右，沉積超硬膜(TiAlN/TiAlYN/TiAlN/CrN)B，同時逐漸降低電弧靶2電流直至關斷。根據不同工件8的實際要求，沉積時間控制為2-4小時，膜厚3-5μm。
⑦沉積表面自潤滑膜C逐漸降低氮氣流量直至關斷，調整氬氣流量使真空室氣壓保持為0.5Pa，工件8轉速和偏壓電源工作參數不變，開啟中靶3，調控濺射功率為15KW，調整內一靶1.1的工作電流為5-8A，沉積DLC-Cr自潤滑膜的時間為1-2小時，控制膜厚為1-2μm。
⑧停爐降低內一靶1.1、中靶3的工作電流直至關斷，關斷偏壓電源，關斷烘烤電源，工件旋轉繼續維持30分鐘後，關閉高真空閥，根據操作規程的規定，停真空機組，最後關閉設備電源和冷卻水。
2、實驗結果(1)在一臺真空鍍膜機上，裝有二套磁控濺射靶，採用93Ti-7Y合金靶材，沉積出摻釔的TiN薄膜，測試其顯微硬度Hv＝21-23GPa，膜層的附著力採用劃痕試驗法，其臨界載荷Lc＞70N。
(2)在一臺Hauzer HTC100-4 ABS型設備上，設置二套陰極電弧靶和二套磁控濺射靶，二套電弧靶的靶材為TiAl合金(35Ti-65Al at.％)，二套磁控濺射靶的靶材分別為TiAlY合金(48Ti-48Al-4Y at.％)和純度為99.8％的鉻靶，沉積出的超晶格複合膜為TiAlCrN/TiAlYN，測試其樣片的顯微硬度Hv＝36GPa，磨損率Kc＝2.5×10-16m3/mN，在上面沉積DLC-Cr自潤滑膜後，磨損率下降為Kc＝1.0×10-16m3/mN，耐氧化溫度＞950℃。
(3)在一臺Teer UDP450型真空鍍膜上，配置四套直流磁控濺射靶，一套靶的靶材為鉻靶，其餘三套靶裝高純石墨靶材，沉積摻鉻類金剛石膜DLC-Cr，其顯微硬度Hv＝20-40GPa，摩擦係數μ＝0.06-0.18，磨損率Kc＝1.0×10-17-2.0×10-16m3/mN.
(4)在一臺國產CK-1250型鍍膜機上，設置三套非平衡磁場磁控濺射靶，一套靶的靶材為鈍鉻，其餘二套裝TiAl合金靶材(合金成分50Ti-50Al at％)，沉積出超晶格複合膜TiAlN/CrN，膜厚3-4μm，表面深蘭色，平整光亮，其顯微硬度48-55GPa。
實驗結果表明本發明的超硬複合膜具有極好的性能。
權利要求
1.一種納米超晶格結構的超硬複合膜刀具，包括刀具(8)，其特徵在於在刀具(8)上的複合膜依次為起粘附作用的過渡層(A)，主耐磨層的納米超晶格結構超硬膜(B)，低磨擦係數的自潤滑層(C)；所述的過渡層(A)為摻釔的氮化鈦TiN或碳化鈦TiC複合膜；所述的超硬膜(B)為n層，每層依次為氮化鈦鋁TiAlN(B1)、摻釔的氮化鈦鋁TiAlYN(B2)、氮化鈦鋁TiAlN(B1)、氮化鉻CrN(B3)；1000≤n≤9000；所述的自潤滑層(C)為一種摻鉻Cr的類金剛石膜DLC-Cr。
2.一種納米超晶格結構的超硬複合膜刀具沉積方法，包括多靶位真空離子鍍膜機及沉積方法，其特徵在於(1)工作靶的設置在真空室(4)中共設置有內靶(1)、中靶(3)、外靶(2)；在真空室(4)內靠外壁處，反時針方向依次設置有內一靶(1.1)、內二靶(1.2)、內三靶(1.3)、內四靶(1.4)；在真空室(4)內中心處的圓圈上反時針方向依次設置有中一靶(3.1)、中二靶(3.2)、中三靶(3.3)、中四靶(3.4)，分別與內一靶(1.1)、內二靶(1.2)、內三靶(1.3)、內四靶(1.4)，相對；在真空室(4)的外壁上，外一靶(2.1)設置在內一靶(1.1)和內二靶(1.2)中間；外二靶(2.2)設置在內三靶(1.3)和內四靶(1.4)中間；內一靶(1.1)的靶材為純鉻，內二靶(1.2)的靶材為鈦鋁TiAl合金，內三靶(1.3)的靶材為摻釔的鈦鋁TiAlY合金，內四靶(1.4)的靶材為鈦鋁TiAl合金；外靶(2)的靶材為鈦釔TiY合金；中靶(3)的靶材為高純石墨。(2)沉積複合膜的步驟①沉積過渡層(A)利用外靶(2)完成，外靶(2)的靶材為鈦釔TiY合金；氬氮Ar-N2混合氣為工作氣體，沉積摻釔的氮化鈦TiN或碳化鈦TiC過渡層，控制其膜厚0.3-0.5μm；②沉積超硬膜(B)利用四套內靶(1)沉積超硬膜(B)；其中內二靶(1.2)、內四靶(1.4)的靶材為鈦鋁TiAl合金，其化學組成為35Ti-65Al at.％；其中內三靶(1.3)的靶材為摻釔Y的鈦鋁TiAlY合金，其化學組成為48Ti-48Al-4Y at.％；其中內一靶(1.1)採用純鉻靶材。沉積超硬膜時，四套內靶(1)同時啟動，氬氮Ar-N2混合氣為工作氣體；每一沉積周期膜厚度為3-8nm，控制超硬膜(B)的總厚度為3-5μm；③沉積自潤滑膜(C)利用中靶(3)和內一靶(1.1)完成；中靶3的靶材為高純石墨，內一靶1.1的靶材為純金屬鉻。
3.按權利要求2所述的一種納米超晶格結構刀具超硬膜塗層的沉積方法，其特徵在於內一靶(1.1)、內二靶(1.2)、內三靶(1.3)、內四靶(1.4)，互為90度，呈對稱分布。
4.按權利要求2所述的一種納米超晶格結構刀具超硬膜塗層的沉積方法，其特徵在於在真空室(4)內中心處φ45cm的圓圈上反時針方向依次設置有中一靶(3.1)、中二靶(3.2)、中三靶(3.3)、中四靶(3.4)。
全文摘要
本發明公開了一種納米超晶格結構的超硬複合膜刀具及其沉積方法，涉及新材料技術領域中一種超硬複合膜刀具及其沉積方法，具體地說，涉及工作靶的設置及靶材成分。本發明在真空室4中共設置有內靶1、中靶3、外靶2；沉積步驟有①沉積過渡層；②沉積納米超晶格結構超硬膜TiAlN/TiAlYN/TiAlN/CrN；③沉積表面自潤滑膜。按本發明沉積出的納米超晶格結構超硬膜，具有較高的顯微硬度和耐氧化性，大大超過了常規的刀具塗層的性能。本發明是一套完整的刀具優質塗層鍍膜方法，它將起粘附作用的過度層、主耐磨層和表面自潤滑層非常完美地結合起來，使這種刀具優質塗層能適應現代製造業對金屬切削刀具非常苛刻的技術要求，提高了高檔刀具的使用壽命。
文檔編號C23C14/35GK1654701SQ20051001826
公開日2005年8月17日 申請日期2005年2月16日 優先權日2005年2月16日
發明者吳大維, 吳越俠 申請人:吳大維