[发明专利]一种AlN/ZrN纳米多层膜制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种刀具用多层膜制备工艺，尤其是一种AlN/ZrN纳米多层膜材料及其制备工艺。

背景技术

随着制造业发展，高速、干式切削技术对刀具涂层的性能提出了更高的要求，除了要求具有更高的硬度和低摩擦系数等力学性能外，还要求涂层具有更高的抗高温氧化性。物理气相沉积(PVD)技术处理温度低，对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向，工业发达国家自上世纪九十年代初就开始致力于硬质合金刀具PVD涂层技术的研究，至九十年代中期取得了突破性进展，PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。

PVD涂层技术的新进展，显示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特优势，可不断开发出新的高性能涂层，涂层成分由第一代的TiN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx等多元复合涂层。ZX涂层(即TiN-AlN涂层)等纳米级涂层的出现使PVD涂层刀具的性能有了新突破。这种新涂层与基体结合强度高，涂层膜硬度接近CBN，抗氧化性能好，抗剥离性强，而且可显著改善刀具表面粗糙度，但是研究发现纳米多层膜比单层薄膜不仅具有更优异的力学性能，而且也有更高的抗高温氧化性。因而本发明尝试开发具有更优异性能的AlN/ZrN纳米多层刀具膜及其制备技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高性能的AlN/ZrN纳米多层刀具膜及其制备工艺，该AlN/ZrN纳米多层膜是由ZrN和AlN交替组成的多层膜。

本发明提出开发将具有高抗氧化性的AlN薄膜与ZrN薄膜组成纳米多层膜提高薄膜体系的力学性能与抗氧化性。

实现本发明的技术方案是：AlN/ZrN纳米多层膜为AlN纳米膜与ZrN纳米膜组成多层膜，具体方法：同时启动脉冲电源溅射Al靶和Zr靶，调整基体的转动速度以及两种靶材的溅射功率改变薄膜调制周期，AlN纳米膜与ZrN纳米膜的单层厚度分别为0.5～2nm和1～10nm。薄膜总厚度控制为2～3m。

该材料的制备工艺为：

1)选取靶材：分别以选取纯Zr和纯Al为靶材，以20×20mm高速钢片为基体；

2)进行薄膜沉积：溅射气体为N₂/Ar混合气体，采用反应磁控溅射，沉积薄膜厚度为2～3μm；反应磁控溅射采用脉冲电源，对基体施加50-200V的负偏压，溅射气压为0.3Pa，N₂分压为0.06-0.09Pa。调整基体的转动速度以及两种靶材的溅射功率改变薄膜调制周期，AlN纳米膜与ZrN纳米膜的单层厚度分别为0.5～2nm和1～10nm。薄膜总厚度控制为2～3μm。所沉积的AlN/ZrN纳米多层膜具有很高的硬度和抗氧化温度。

具体实施方式

实施例1，本发明AlN/ZrN纳米多层膜制备方法具体参数为：真空室的背低真空度为2×10^-3Pa，采用脉冲电源，对基体施加100V的负偏压，溅射气体总流量为20sccm，溅射气压为0.3Pa，N₂分压为0.06Pa，Ar分压为0.24Pa，Zr靶溅射功率为60W，沉积时间10秒，Al靶溅射功率10W，沉积时间2秒，基体温度低于180℃，由此得到的多层膜中ZrN层的厚度为3nm，AlN层厚度为0.4nm，薄膜厚度为2μm，薄膜硬度为29GPa，抗氧化温度高于1000℃。

实施例2，本发明AlN/ZrN纳米多层膜制备方法具体参数为：真空室的背低真空度为2×10^-3Pa，采用脉冲电源，对基体施加100V的负偏压，溅射气体总流量为20sccm，溅射气压为0.3Pa，N₂分压为0.06Pa，Ar分压为0.24Pa，Zr靶溅射功率为60W，沉积时间10秒，Al靶溅射功率20W，沉积时间2秒，基体温度低于180℃，由此得到的多层膜中ZrN层的厚度为3nm，AlN层厚度为0.6nm，薄膜厚度为2μm，薄膜硬度为32GPa，抗氧化温度高于1000℃。