[发明专利]在硬质合金基体表面制备纳米结构氮硅锆涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬质合金，尤其是涉及一种在硬质合金基体表面制备纳米结构氮硅锆涂层的方法。

背景技术

硬质材料的研究是目前材料科学研究的重要领域之一。随着现代制造业和国防工业的迅速发展，硬质涂层材料已广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、模具工业、航天航空等领域。涂层技术作为材料表面技术的制备手段能够制备各种功能涂层，将涂层与基体材料的优良性能相结合，大大改善了涂层材料和基体材料的性能，拓宽了应用范围。从而用极少量的材料起到大量、昂贵的整体材料所起的作用，同时极大地降低刀具的成本，达到提高硬质合金刀具的耐磨损性能、提高工件的加工质量、节约资源和能源的目的。几十年来，涂层技术在切削刀具中的应用最具代表性，虽然由于刀具材料的改进及新刀具材料的开发，使切削速度及切削加工生产率成几倍甚至几十倍的增加，然而，随着各个领域技术的发展，现代工程材料的开发及使用日益增多([1]INTERNATIONAL JOURNAL Of REFRACTORYMETALS AND HARD MATERIALS 24(2006)399-404)。自动机床、数控机床加工中心的迅速普及，柔性制造单元和系统的发展，使机械加工向着高速度、高精度、高效率和柔性化方面发展，对刀具提出了许多新的要求，作为二元硬质涂层代表的TiN、ZrN涂层已经难以满足现代工业的需要，因此研究和开发新刀具涂层材料，使其具有优良的综合机械性能是一项极其重要的任务。

在二元体系掺杂新元素，以形成多元复合涂层材料，使涂层具有较高的硬度、抗氧化能力、热硬性、耐腐蚀性、耐磨损性等特性，这是在新型涂层材料设计过程通常使用的方法。新元素的掺杂还能降低涂层内应力、提高涂层韧性、阻止裂纹扩展、提高涂层物理和化学稳定性。可以根据不同的需要添加第三组员赋予二元涂层新的特性。根据TiN系列涂层总结各种元素掺杂在涂层中作用为：Si、Cr和Y提高抗氧化能力，Zr、V、C、Hf、Si提高耐摩擦磨损能力，Nb、Ni、W、Zr和Si提高硬度，B、Hf提高涂层结合力，Hf、Si提高热稳定性，Al提高涂层高温性能。可见Si元素的掺入可以提高涂层的多种性能，因此开发具优良性能ZrSiN涂层，并将逐步的取代传统二元涂层，已成为目前硬质涂层研究领域的热点之一。

已有文献中提到关于ZrSiN涂层的制备方法大致分两种：1.化学气相沉积法([2]JOURNAL VACUUM SCIENCE TECHNOLOGY 20(2002)823-828)，Si元素由四甲基硅烷引入。2.磁控溅射法([3]SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 180-181(2004)352-256)，在氮气气氛中通过氩离子轰击嵌入硅片的锆靶将Si元素掺入ZrN涂层中形成ZrSiN涂层。化学气相沉积法制备涂层的颗粒较大，性能也不及磁控溅射等物理气相沉积法制备的涂层，而且对环境也有一定的影响。相对于化学气相沉积，磁控溅射涂层粒子是采用阴极溅射方式得到的原子态粒子，携带从靶面获得的能量到达工件，形成细小核心，膜层组织细密[4]SURFACE AND COATINGS TECHNOLOGY 174-175(2003)240-245；[5]SCRIPTAMATERIALIA 51(2004)715-719)，涂层性能优良。但是合金靶成本较高，且不易精确控制涂层中的Si元素含量，因此需要开发更加合理的方法制备高性能ZrSiN涂层。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用直流和射频反应共溅射法，在硬质合金基体表面制备纳米结构氮硅锆涂层的方法。

本发明包括以下步骤：

1)基体预处理；

2)预溅射；

3)溅射沉积。

在步骤1)中，所述基体预处理，可依次进行研磨抛光、超声清洗和离子源清洗。

所述研磨抛光，可将硬质合金基体先在600目的金刚石砂轮盘上进行粗磨10min，然后在1200目的金刚石砂轮盘上进行细磨10min，再用W2.5的金刚石抛光粉进行抛光至试样表面均匀光亮。

所述超声清洗，可将研磨抛光后的基体按以下顺序清洗，先用丙酮超声清洗5min，然后用无水乙醇超声清洗5min后，烘干待用。

所述离子源清洗，可采用霍尔离子源对基体进行清洗5min，以清除基体表面的吸附气体以及杂质，提高沉积涂层与基体的结合强度以及成膜质量。