[发明专利]AN/Cr1-xAlxN/Cr30(Al,Y)70N硬质梯度涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于机械加工用工、模具领域表面工程技术，具体是一种高结合力、高硬度和抗高温氧化的二元氮化物/Cr_1-xAl_xN/Cr₃₀(Al，Y)₇₀N硬质梯度涂层及其制备方法，其中二元氮化物为CrN或TiN。

背景技术

铝、铬、钛等过渡金属氮化物、碳化物、碳氮化物陶瓷涂层具有高硬度和抗氧化哪里，已被广泛应用于机械加工的工模具领域。同无涂层的工模具比较，上述涂层可以提高加工精度、加工效率，且大幅度延长工模具的使用寿命。

离子镀（AIP）、磁控溅射（MS）、电弧放电蒸发和离子束辅助沉积（IBAD）等或上述方法的复合应用是公知的工模具表面涂层物理气相沉积（PVD）制备技术。每种方法均有其优点和缺点。就溅射粒子的离化率而言，离子镀最高，磁控溅射较低；就溅射粒子团族尺寸而言，离子镀最大，因此涂层表面大尺寸溶滴的出现是离子镀不可避免的现象。需要根据涂层的性能和应用要求来合理地选择涂层PVD制备方法。通过涂层成分、结构与组织的控制获得高性能的涂层。在工模具领域，最基本的涂层性能要求是膜基结合力高、耐磨耐蚀、高温性能优异。

CrN系涂层中部分Al替代Cr可以提高涂层的硬度与红硬性。随着铝含量的增加，Cr-Al-N系涂层的硬度增加，高铝含量的Cr_1-xAl_xN薄膜（约x=0.7）具有最优的硬度和抗氧化性能，硬度高达38GPa，热稳定性能达1100℃，红硬性达25GPa（A.E.Reiter，et al.Surface&Coatings Technology，2005，200∶2114-2122）；涂层的导热系数和热扩散系数均增加(B.Tlili，et.al.Vacuum，2010，84：1067-1074)。面心立方(fcc)结构的CrAlN薄膜具有硬度高，韧性好等优异的力学性能；而密排六方(hcp)结构的CrAlN薄膜则相反，力学性能较差。因此，希望避免生成AlN相，而获得以fcc-CrN结构为主的CrAlN薄膜（Y.Sun，et.al.Journal of Materials Science，2004，39∶7369-7371），适量Y的加入有利于进一步提高涂层的抗高温氧化能力(F.Rovere，et.al.Surface&Coatings Technology，2008，202∶5870-5875)。

薄膜的构型设计严重影响涂层的性能。除了单一结构构型、复合多层构型外，成分梯度构型的涂层受到越来越多的关注。由于尽可能避免了界面处成分突变导致的热膨胀系数、弹性模量等不连续，梯度涂层的构型可以提高膜基结合强度。

为了实现梯度涂层，目前公知的成分梯度控制方法主要有1）靶材功率密度（电流）控制及2）反应气体流量控制。发明专利CN101319302B公开了制备一种TiAlCN非金属元素线性变化梯度涂层的制作方法：采用离子镀技术和TiAl合金靶，控制工作气体N₂/C₂H₂的比例来实现涂层中非金属元素的线性变化和涂层的多层化。发明专利申请ZL200610045989.3公开了一种成分呈梯级变化的CrN/CrAlN防护涂层：采用单一磁控溅射技术、分离的铬靶和铝靶；涂层内层为CrN，而外层为Al含量呈梯级变化的Cr-Al-N层（控制不同阶段金属靶的功率密度比），化学式为Cr_1-xAl_xN，其中Al含量x值变化范围0-0.82，四级变化，在靠近涂层表面铝含量达到最大值。专利CN102400099A公开了一种CrAlSiN梯度涂层的制备工艺：采用单一磁控溅射方法，控制分离的铬把、硅靶和铝靶的功率密度。

上述有关Cr-Al-N梯度涂层专利技术存在以下几个方面问题：1）采用单一磁控溅射技术，溅射粒子的离化率低，影响了涂层的膜基结合力；2）梯级变化仍然存在多层成分突变界面；3）涂层顶层部分成分需要进一步优化，提高涂层的高温性能，以便满足苛刻的加工条件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，采用空心阴极和离子镀的复合集成技术，提供一种在硬质合金或钢铁基体上利用物理气相沉积技术制备的具有高硬度、高结合力、高抗氧化性、低摩擦系数的二元氮化物/Cr_1-xAl_xN/Cr₃₀(Al，Y)₇₀N梯度涂层。