[发明专利]纳米多层复合膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及真空镀膜技术，尤其涉及一种纳米多层复合膜及其制备方法。

背景技术

目前中国市面上最常见的高速钢刀具和冲压模具的涂层主要有两种，一种是最为普遍的TiN膜层，另外一种是具有较高性能的TiAlN膜层。通常，TiN镀膜成本较低，镀膜后表面硬度通常达到HV2300左右。TiAlN镀膜成本较高，镀膜后表面硬度可以达到HV3000～3500。长期以来，很多真空镀膜厂家都在寻找一种新的镀膜技术，在成本与TiN镀膜接近的前提下得到硬度可以媲美TiAlN镀膜的新镀膜技术。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有高速钢刀具和冲压模具的涂层高硬度和低成本无法同时兼具的问题，提出一种纳米多层复合膜，以实现硬度高、制造成本低廉的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种纳米多层复合膜，包括顺次设置的Ti层、复合层和TiN表层，所述复合层包括交替设置Ti₂N+TiN层和TiN层。Ti₂N+TiN层是由Ti靶材和氮气分别离化制备而成。

进一步地，所述Ti层厚度为50-70nm。

进一步地，所述Ti₂N+TiN层厚度为28-60nm，优选为30-40nm；所述TiN层厚度为35-70nm。

进一步地，所述TiN表层的厚度为0.8-1.5μm。

进一步地，所述纳米多层复合膜厚度为2-5μm。

本发明的另一个目的还提供了一种纳米多层复合膜的制备方法，包括以下步骤：首先在基体表面沉积Ti层；然后在Ti层背离基体的一侧沉积复合层；最后在复合层上沉积TiN表层。

其中，所述复合层通过交替沉积Ti₂N+TiN层和TiN层制备而成。

进一步地，所述沉积采用多弧离子镀技术完成。

进一步地，所述Ti₂N+TiN层的制备包括，Ti靶材和氮气分别离化，采用多弧离子镀技术在Ti层上通过脉冲Ar气将Ti₂N和TiN混合沉积，即在Ar脉冲的条件下，分别离化的Ti靶材和氮气形成Ti₂N。

进一步地，所述纳米多层复合膜的制备通过压强仪控制气体压强，气分压为6-8×10^-1Pa。气分压为真空室内的气体压强。所述Ar气脉冲时间和流量分别为：Ar气体脉冲时间为15-25s，间隔时间为20-33s，Ar气每次脉冲量为9SCCM。

进一步地，所述基体为金属基体，所述基体的温度为340-380℃，优选为350℃。

本发明纳米多层复合膜结构合理、紧凑，所述纳米多层复合膜的制备方法简单、易行，与现有技术相比较具有以下优点：

（1）、本发明克服了现有单层氮化钛膜层结合力差、断裂韧性差和易产生裂纹的缺点，本发明纳米多层复合膜充分结合了Ti层、Ti₂N层和TiN层各自的特点，以Ti作为基体和膜层的过渡层，能让膜层和基体有非常好的结合力，吸取Ti₂N有硬度高的特点，提高膜层整体硬度和耐磨性；吸取TiN摩擦系数低，在表层起到润滑的作用，减少裂纹的发生。

（2）、本发明纳米多层复合膜的制备采用多弧离子镀膜，通过脉冲氩气获得具有不同成分和结构的纳米复合膜，每层的厚度和成分通过脉冲氩气的时间和数量来控制。

（3）、本发明纳米多层复合膜兼具TiAlN镀膜和TiN镀膜的优点，本发明纳米多层复合膜的表面硬度与TiAlN镀膜接近，能达到HV2800左右；制备工艺简单，制造成本与TiN镀膜相差无几。

上述优点使本发明纳米多层复合膜在未来的镀膜市场中有着广大的市场空间，尤其在高速钢刀具和冲压模具等的涂层领域具有很高的应用价值。

附图说明

图1为实施例1纳米多层复合膜的结构示意图；

图2为对照例1TiN层压痕的金相显微镜示意图，放大倍数为1000倍；

图3为实施例1纳米多层复合膜压痕的金相显微镜示意图，放大倍数为1000倍。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

对照例1

对照例公开的膜为沉积在金属基体上的、厚度为0.8μm的TiN层。

实施例1