[发明专利]TiC/Si3N4纳米多层涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种切削工具技术领域的涂层及其制备方法，特别是一种 TiC/Si₃N₄纳米多层涂层及其制备方法。

由于其机械加工效率高，环境污染少，切削速度≥100m/min的高速切削及干 式切削方式正日益成为切削技术发展的主流，这种切削技术对刀具涂层的性能提 出了更高的要求。不仅要求刀具涂层硬度高，还需要涂层的摩擦系数低，以及具 有较高的抗氧化能力。现有的刀具涂层尚未全面满足这些要求。如目前工业上广 泛应用的TiAlN涂层，虽然涂层的抗氧化温度可达800℃，但作为高速铣削刀具和 螺纹刀具的涂层使用时，其摩擦系数偏高。另外，这种TiAlN涂层约35GPa的硬 度也略显不够。碳化物的摩擦系数低于氮化物，更适用于需优异减磨性能的高速 铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层。目前工业上主要采用TiC和TiCN作为这类刀具 的涂层材料。但是，TiC和TiCN涂层的抗氧化温度只有400℃，远低于氧化物涂 层的抗氧化温度。另外TiC涂层约30GPa的硬度和TiCN约36GPa的硬度也还需要 进一步提高。因而目前生产上急需一种高硬度、低摩擦系数并兼具高抗氧化温度 的涂层，以满足高速铣削刀具和螺纹刀具在干式切削工况下的要求。

对现有技术进行的检索发现：为了提高刀具涂层的抗氧化性，已有的专利技 术(如美国专利US6565957，US6638571，US5766782和中国专利95108982.X等) 采用在TiN等涂层的表面或中间增加一层或多层0.1~8μm厚度的Al₂O₃层，使之与 氮化物层形成多层结构的涂层。尽管致密的Al₂O₃层能显著提高涂层的抗氧化性， 但由于Al₂O₃的硬度远低于氮化物，这种氮化物和Al₂O₃组成的多层涂层的硬度会明 显降低，从而影响到刀具涂层切削功能的有效发挥。

美国专利US6333099 B1也提供了一种具有优良抗氧化性能的MeN/Al₂O₃纳米多 层涂层，该涂层中的过渡族金属氮化物可以是Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、 W、Al等元素或者它们混合物的氮化物，写作MeN。该纳米多层涂层由两种层厚分 别为0.1~30nm的MeN层和Al₂O₃层交替沉积而形成成分周期变化的多层结构。涂层 总厚度为0.5~20μm。这种涂层的硬度不低于其组成物MeN和Al₂O₃单层涂层的硬 度。虽然该专利提出的这种MeN/Al₂O₃纳米多层涂层可以用化学气相沉积方法(CVD) 和物理气相沉积方法(PVD)制备，但并未提供具体的制作细则。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种具有高硬度、低摩擦系数和高 抗氧化性的TiC/Si₃N₄纳米多层涂层及其制备方法。本发明不但提高了现有TiC涂 层的硬度，保持了TiC涂层的低摩擦系数，并使涂层的抗氧化性得到显著提高。 这种纳米多层涂层可作为高速铣削和螺纹刀具的表面涂层材料。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及的TiC/Si₃N₄纳米多层涂层，所述的多层结构是由TiC和Si₃N₄两 种材料交替沉积形成纳米量级的多层结构。

所述的纳米量级的多层结构，其每一个双层周期中，TiC层的厚度为2~8nm， Si₃N₄层的厚度为0.3~1.2nm。所述的涂层的总厚度为1～4μm。

本发明的涂层在这种纳米多层涂层中，通常气相沉积为非晶结构的Si₃N₄在 NaCl结构晶体态的TiC模板效应下被强制晶化，并与TiC形成共格外延生长的超 晶格柱状晶，从而使TiC/Si₃N₄纳米多层涂层能够获得40GPa以上的硬度，并同时 具有高达800℃的高温抗氧化性能。