[发明专利]TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及工、模具纳米复合涂层，具体涉及一种TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂 层及其制备方法。

背景技术

近20年来，利用物理气相沉积技术(PVD)在工、模具表面制备先进硬质涂层的应用 受到广泛关注。不仅出现了TiAlN、AlTiN、AlCrN、TiSiN、Al₂O₃等耐磨涂层，还有MoS₂、 DLC、WC/C等各种润滑涂层，以及梯度涂层、纳米复合涂层等新的涂层结构，使涂层的 性能大为提高。复合多层膜、纳米复合多层膜成为目前超硬涂层技术发展的重要方向。这 些涂层不仅应用于切削刀具领域，也在模具行业得到一定程度的应用。涂层的硬度、抗高 温性能及涂层同基体的结合强度成为评估涂层质量的重要指标。

CrN系涂层的氧化温度大约为600℃。90年代后的研究发现，涂层中部分Al替代Cr 能够进一步提高涂层的硬度与红硬性。CrAlN系中Al含量是影响涂层硬度及抗氧化能力的 重要因素。Cr_0.40Al_0.60N膜优于Cr_0.77Al_0.23N膜(J.Lin，B.Mishra，Surface & Coatings  Technology 202(2008)：3272-3283)，硬度从25GPa提高到36Gpa，杨氏弹性模量从280GPa 提高到380GPa；且前者在800℃退火1小试后，涂层的硬度仍可保持在25GPa以上。2006 年Balzers公司推出的CrAlN(CRONITE^TR)系列涂层具有优异的综合性能，该涂层的实用 范围很广，从中低转速加工到高速加工均可实用，而且在中低转速时该涂层的加工效率和 寿命明显优于目前大量使用的TiAlN系列先进涂层。但该涂层技术方案仍是商业秘密。

Al替代Cr后，涂层中内应力大幅度增加，弱化了涂层-基体合金的结合强度。复合 涂层技术是解决这一问题的有效途径。TiN/CrAlN复合多层结构能够大大降低涂层内应力 (M.Okumiya，Surface and Coatings Technology，112(1999)：123-128)。ISCAR公司曾在 2005年北京机械博览会展出工具钢表面PVD涂制超过1mm厚的TiN涂层，说明TiN涂层 的内应力极低，涂层具有优异的韧性。

中国发明专利申请200610045989.3公开了一种采用直流磁控溅射物理气相沉积(PVD) 方法在宽温度范围内抗高温腐蚀的CrN/CrAlN防护涂层，涂层内层为CrN，而外层为Al 含量呈梯度分布的Cr-Al-N层，化学式为Crl-xAlxN，其中Al含量x值变化范围0-0.82， 呈梯度变化，在靠近涂层表面达到最大值Cr_0.18Al_0.82N。该技术的特点在于涂层发挥了CrN (内层)同基体材料优异的附着性和韧性；发挥Crl-xAlxN(外层)优异的抗高温腐蚀能 力；采用成分梯度变化降低涂层内部残余应力(成分突变将带来的热物理性能参数、力学 性能参数突变)。但采用单一磁控溅射技术，由于金属粒子的离化程度低，难以大幅度提高 涂层同基体的结合强度。另外较厚、较低硬度的CrN内层(约12GPa)将影响整个涂层的 硬度、损害涂层的耐磨性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种适合于工模具领域应用的结合 力高、硬度高、高温性能优异的TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层。

本发明的另一目的在于提供上述TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层的制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层：该纳米复合涂层是在材质为硬质合金、高 速钢、耐热模具钢的工具或模具基体上，依次由过渡层TiN膜、(TiN+CrN)纳米复合多 层和CrAlN纳米复合多层组成，结构为TiN/(TiN+CrN)/CrAlN多层金属氮化物陶瓷涂层。

所述TiN/(TiN+CrN)/CrAlN纳米复合涂层的制备方法，包括如下步骤和工艺条件：