[发明专利]一种纳米复合TiCrBN涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种刀具涂层及其制备方法，尤其涉及的是一种纳米复合TiCrBN涂层及其制备方法。

背景技术

金属切削加工中，要求刀具有高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性等性能。涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破，它将刀具基体与硬质薄膜表层相结合，由于基体保持了良好的韧性和较高的强度，而硬质薄膜表层又具有高耐磨性和低摩擦系数的特点，使刀具的性能得到大大提高。TiN是应用最广泛的硬质涂层材料，但TiN涂层一直存在高温氧化的问题，并且随着材料工业的发展它的硬度也已不能满足现代机械加工对刀具的要求。纳米复合结构涂层是孤立的纳米晶体（如nc-TiN）镶嵌在很薄的非晶基体（如a-Si₃N₄）中的一种复合结构涂层，纳米晶具有比较高的硬度，非晶相具有高的结构弹性，两相界面有高的内聚能，晶体相和非晶相在热力学上呈分离趋势，因此，这种涂层具有超高硬度、高韧性、优异的高温稳定性和热硬性、高的抗氧化性等，适应于高速加工难加工材料对刀具涂层的要求。因此，寻找具有高硬度，低摩擦系数，优越的抗高温氧化及化学腐蚀性能的纳米复合涂层，在刀具切削及表面防护领域具有重大的应用价值。

磁控溅射和电弧离子镀是PVD制备刀具涂层的主流技术，各有优缺点。磁控溅射可以低温沉积，生长的涂层表面光滑无大颗粒但该技术离化率较低，电弧离子镀离化率高、膜基结合力强但生成的涂层表面粗糙有大颗粒。近几年发展起来的高功率脉冲磁控溅射技术（High Power Impulse Magnetron Sputtering，HIPIMS）综合了磁控溅射和电弧离子镀的优点。HIPIMS利用较高的脉冲峰值功率和较低的脉冲占空比来实现产生高金属离化率（>50%）。HIPIMS技术综合了磁控溅射低温沉积、表面光滑、无颗粒缺陷和电弧离子镀金属离化率高、膜基结合力强、涂层致密的优点，且离子束流不含电弧离子镀的大颗粒，在控制涂层微结构的同时获得优异的膜基结合力和可调节的涂层内应力，被认为是PVD发展史上最重要的一项技术突破。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种纳米复合TiCrBN涂层及其制备方法，大大提高被保护工件的使用寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的涂层包括沉积于衬底基体上的Cr金属结合层、沉积于Cr金属结合层上的CrN过渡层以及沉积于CrN过渡层上的TiCrBN复合层，所述TiCrBN复合层为纳米TiN/CrN晶粒镶嵌于非晶BN之中，TiN/CrN晶粒尺寸为3～20nm；所述TiCrBN复合层中的各元素含量范围是：Cr10.6～39.6at.%,Ti5.2～14.3at.%,B11.2～28.9at.%,N44～46.2at.%。

作为本发明的优选方式之一，所述Cr金属结合层的厚度为100～500nm。该厚度范围内Cr金属结合层与衬底基体具有较强的结合力。

作为本发明的优选方式之一，所述CrN过渡层的厚度为200～1000nm。该厚度范围内CrN过渡层可以进一步降低纳米复合涂层TiCrBN的内应力，从而提高提高复合涂层的韧性。

一种纳米复合TiCrBN涂层的制备方法，包括以下步骤：

（1）首先将衬底基体清洗吹干后置于磁控溅射腔体内的工件架上，当本底真空达到1×10^-4～5×10^-3Pa后，通入Ar气至气压达到0.1～1Pa，调节衬底温度在300～500℃，偏压-700～-1000V，对经过表面处理的衬底基体进行辉光清洗；

（2）辉光清洗结束后，调节Ar气压在0.4～0.8Pa，偏压在-150～-300V，打开Cr直流磁控溅射靶，沉积100～500nm厚的Cr金属结合层；

（3）通入N₂气并调节气压在0.4～1Pa,偏压-100～-200V，制备200～1000nm厚度的CrN过渡层；

（4）然后通入Ar和N₂混合气体并控制气压在0.2～0.9Pa,Ar：N₂的流量比为5:1～1:1，衬底温度100～300℃，偏压-100～-300V,同时打开高功率脉冲磁控溅射靶TiB₂和直流磁控溅射靶Cr，分别控制功率在0.1～1kW和0.1～0.8kW，沉积TiCrBN复合层，并控制整个涂层的厚度为1～5μm。