[发明专利]一种制备TiAlCrN多元涂层的装置和方法

说明书

技术领域

本发明专利涉及TiAlCrN多元涂层，特指一种封闭场非平衡磁溅射法制备TiAlCrN多元涂层的装置和方法，设计了一种先进的封闭场非平衡磁溅射法制备TiAlCrN多元涂层的装置，其涂层与基体结合强度好，应用于强切削时，刀具和高挤压力模具上涂层不易剥落，还可以做复合及多层涂层。 

背景技术

   随着现代工业的进步和金属切削工艺的发展，尤其是高速切削、硬切削和干切削工艺的出现，对金属切削刀具提出了越来越高的要求；切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术；超硬氮化物涂层既可有效延长切削刀具的使用寿命，又可以发挥其超硬、强韧、耐磨、自润滑的优势，从而提高金属切削刀具在现代加工过程中耐用度和适应性。 

    在TiN涂层中加入Al元素，沉积的TiAlN涂层能显著提高其抗腐蚀性能和工作温度范围，而TiAlN涂层在中加入Cr元素后，涂层表现出更好的高温抗氧化性和耐磨性；因此，在硬质合金刀具上沉积新型TiAlCrN涂层与沉积传统的TiN、TiAlN涂层相比，具有更高的耐磨性、硬度、抗高温氧化性以及高热稳定性的特点，特别适合于高速干切削，本发明设计了一种封闭场非平衡磁溅射法制备TiAlCrN多元涂层的装置，有效地提高TiAlCrN多元涂层膜与基体结合强度。 

发明内容

本发明专利是在刀具基材表面采用封闭场非平衡磁控溅射离子镀技术法制备TiAlCrN多元涂层，其装置的独特之处在于包含四个磁控管，使磁力线可以从一个磁控管直接延伸到另一个磁控管，形成封闭的磁阱，可以有效阻止电子逃逸，从而提高溅射效率和离化率，本发明装置如图1所示，主要由真空系统、电源系统、控制系统、冷却系统四部分组成。 

真空系统包括：真空室、靶材、样品架、非平衡磁控管、碘钨灯加热装置、机械泵和扩散泵，机械泵和扩散泵分别与真空室连接；用于安装试样的样品架位于真空室中央；在镀层沉积过程中试样随工件架旋转，使涂层分布均匀；真空室炉壁上安装有4个靶材：Ti靶、Cr靶、Al靶、Cr靶；4个靶材对称分布；每个靶材上安装有非平衡磁控管从而使得非平衡磁控管也对称分布；碘钨灯加热装置内置在真空室底部。 

第一级真空采用机械泵粗抽，第二级真空采用扩散泵精抽，真空室内置碘钨灯加热装置，试样安装在真空室中央的样品架上，在镀层沉积过程中随样品架旋转，使涂层分布均匀，真空室炉壁上安装有4个靶材：Ti靶、Cr靶、Al靶、Cr靶，靶材上装有非平衡磁控管，磁控管对称分布，这使磁力线可以从一个磁控管直接延伸到另一个磁控管，以便产生闭合磁场，有效阻止电子逃逸，提高溅射效率和离化率。 

电源系统分为两部分：一部分为4个非平衡磁控管分别提供直流电压的4个溅射电源，溅射电源与靶材连接；另一部分为试样提供脉冲偏压，与试样连接。

控制系统包括：反应气体N₂和保护气体Ar通过流量控制计来引入真空室，调节流量来控制溅射气压，整个系统的运行采用计算机软件进行控制； 

冷却系统：为防止溅射导致的靶材温度过高，靶材为空心通孔，类似于水管结构，如图5，空心通孔作为冷却水槽，因此可以直接水冷。

附图说明

图1 封闭场非平衡磁溅射法制备TiAlCrN多元涂层的装置图。 

1-碘钨灯加热装置；2-磁控管；3-Ti靶；4-溅射电源；5-样品架；6-Cr靶；7-真空室；8-Al靶；9-偏压电源；10-Cr靶；11-机械泵；12-扩散泵；13-流量控制计；14-N₂；15-Ar；16-冷却水管。 

图2 TiAlCrN多元涂层表面形貌；（a）低倍形貌；（b）高倍形貌。 

图3 TiAlCrN多元涂层EDS分析。 

图4 TiAlCrN多元涂层结合强度。 

图5靶材结构示意图。 

具体实施方式

（1）利用强磁铁和软铁组成非平衡磁场，选用纯度为99.99%的Ti靶、Al靶和Cr靶作为溅射靶材，规格为100×100mm，试样经80号～1200号砂纸和金相砂纸打磨，粒度为2.5的金刚石抛光剂抛光至镜面，再先后放入丙酮和酒精溶液超声波清洗10min，除去基体表面杂质和油脂；Cr靶和Cr靶、Ti靶和Al各自相对安装在真空室炉壁上，试样安放在样品架上，在镀层沉积过程中试样随工件架旋转，设定工件架旋转速度为20 r/ min，以使镀层均匀。