[发明专利]一种ZrNbAlN超晶格涂层及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，具体涉及一种具有ZrNbAlN超晶格涂层，以及沉积该涂层的工具或工模具及其制备方法。

背景技术

作为现代制造工业中所需要的工模具及刀具，对所加工部件的表面光洁度、精度及加工的效率等有着重要的影响及决定性因素。要想使得工模具及刀具有高的使用寿命及良好的使用效果，首先基材要有优异的高温稳定性、抗腐蚀性及耐磨性。一般工模具及刀具的损坏不是折断，而是表面首先出现磨损及腐蚀后开始的。因此，工模具及刀具表面的耐磨处理对其寿命及加工部件的质量有着显著地影响。CN103212729A公开了一种具有CrAlTiN超晶格涂层的数控刀具及其制备方法。

非平衡磁控溅射离子镀是一种设有多个可溅射的非平衡磁控溅射靶源的真空物理沉积技术，具有沉积速度快、涂层组织致密、附着力强、均匀性好等显著特点。该技术适用于硬质涂层的制备，并在氮化钛、氮化钛铝及更多元的硬质多层涂层的制备方面获得成功应用。氮化铌NbN、氮化铬CrN及氮化锆ZrN等涂层由于硬度高、摩擦系数小、耐热性强等各自特性而具有开发应用前景。Zr、Nb和Al的氮化物(ZrNbAlN)涂层主要以氮化锆为基础并通过添加铝及铌元素来实现的。沉积有ZrNbAlN多层硬质涂层的硬质合金及高速钢制备的工模具和刀具等具有基材高强度、高韧性及耐磨及超硬的优点，因此，高温稳定性好、耐磨及耐腐蚀等，有效改善了工模具及刀具的使用效果及使用寿命。由于工模具及刀具表面的涂层在磨损后，可以退镀并再次进行镀层处理，因而大大降低了生产成本。

ZrNbAlN涂层高温物理化学性能稳定，抗磨及抗腐蚀性能好，摩擦系数低，且涂层与衬底有较高的结合强度等。近年来，非平衡直流磁控溅射技术的进步，多元素多层材料越来越显示出巨大的潜力，由于获得的多层涂层材料呈交替周期结构，涂层的致密度高，晶体结构为微晶结构，显示为非柱状晶模式，层间的界面有效控制了扩散及应力的集中，阻止涂层中裂纹的扩展，其耐磨、韧性、摩擦系数及结构的热稳定性都有显著改善，应用的工模具及刀具的寿命及加工部件的质量都有显著提高。因此，设计这种多层新型的结构涂层是适应制造业对工模具及刀具及加工部件的客观需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种ZrNbAlN超晶格涂层，依次包含Zr粘附层、ZrN_x过渡层、ZrN支持层和依次由ZrN层、NbN层、ZrN层及AlN层交替构成的多层结构的表面耐磨层。

本发明的超晶格涂层，所述ZrN、NbN、AlN分别为Zr、Nb、Al的氮化物,其中，ZrN层、NbN层及AlN层的晶粒粒径均为3-5nm。

本发明的超晶格涂层，粘附层厚度为50-100nm，过渡层厚度为50-100nm，支持层厚度为300-500nm，表面耐磨层厚度为3-5μm，其中，在表面耐磨层中,ZrN层、NbN层及AlN层的厚度均为3-5nm。

本发明的超晶格涂层，其调制波长约为12-20nm。

本发明的另一目的在于提供了一种表面沉积ZrNbAlN超晶格涂层的刀具或工模具，包含刀具或工模具的基体和涂于其表面的ZrNbAlN超晶格涂层，所述ZrNbAlN超晶格涂层，依次包含Zr粘附层、ZrN_x过渡层、ZrN支持层和依次由ZrN层、NbN层、ZrN层及AlN层交替构成的多层结构的表面耐磨层，,其中，ZrN层、NbN层及AlN层的晶粒粒径均为3-5nm。

上述本发明的刀具或工模具，粘附层厚度为50-100nm，过渡层厚度为50-100nm，支持层厚度为300-500nm，表面耐磨层厚度为3-5μm，其中，在表面耐磨层中,ZrN层、NbN层及AlN层的厚度均为3-5nm。

上述本发明的ZrNbAlN超晶格涂层及其刀具或工模具，其中所述ZrN_x过渡层，其“X”代表0至1，也就是指在过渡层喷涂过程中ZrN_x中的N浓度从0逐渐增大，直至与Zr的摩尔比为1：1，以下制备方法和实施例中的“ZrN_x”，其“X”也是代表0至1，含义等同。

上述本发明的刀具或工模具，所述的刀具或工模具的基体选自硬质合金和高速钢，所述硬质合金选自钨钴硬质合金、钨钛钴硬质合金和钨钛钽铌硬质合金，其中，合金晶粒度为300-500nm；所述高速钢选自钨系高速钢、钨钼系高速钢、高钼系高速钢、钒高速钢和高钼系高速钢，其中，高速钢晶粒度为300-500nm。