[发明专利]TiCN/CrCN纳米多层膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜材料领域，涉及一种陶瓷类薄膜及其制备方法，特别是一种具有高硬度、高耐磨性和优良耐腐蚀性的TiCN/CrCN纳米多层膜及其制备方法，可以实现切削刀具的表面改性。

背景技术

随着现代机械加工业的高速发展，难加工材料越来越多，因此切削工艺特别是高速切削、干切削等工艺对切削刀具提出了越来越严格的要求，如高切削速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性。作为镀制在刀具表面，起到重要表面改性作用的保护性薄膜材料，传统的单组元TiN, CrN等薄膜难以适应现代工业技术的要求，为了提高其综合性能，硬质薄膜向着多层化、多元化方向发展。

21世纪被称为纳米科技的世纪，尺寸在纳米数量级的纳米多层膜材料由于具有独特的物理化学特性，引起了人们越来越广泛的关注。研究表明，纳米多层膜具有比单层膜大得多的硬度，且其抗氧化性，耐磨性能优良，因此是一种理想的新型薄膜材料。自Koehler在《Physical Review Letters》上发表“Attempt to design a strong solid”（《物理评论快报》，“尝试设计坚固的固体”），提出异质结超晶格材料的超硬效应后，新型纳米多层膜材料得到了快速的发展。

纳米多层膜是由两种或者两种以上结构或成分不同的单层材料交替沉积而形成的多层材料，每个单层的厚度都在纳米数量级，层间的界面可以防止柱状晶和粗大晶粒的生长，细化晶粒，提高塑性变形能力，对位错滑移具有阻碍作用，抑制裂纹的形成和扩展，提高了膜层的强度和抗冲击能力，参见Dahotre N B等人的“纳米涂层在引擎系统的应用”《表面与涂层技术》2005, 194(1):58-67（Dahotre N B, Nayak S. Nanocoatings for engine application[J]. Surface & Coatings Technology, 2005, 194(1):58-67）。

此外，多弧离子镀技术虽然是纳米多层膜制备常用的镀膜方法之一，但目前使用该技术制备纳米多层膜普遍采用交替频繁地开启和停止多弧靶的方法，不仅费电，还使整个镀膜过程稳定性和安全性差，最重要的是，每次靶材开启的瞬间喷射出的大熔滴数量较多，使得薄膜中大颗粒增加，严重的影响到薄膜质量。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明旨在提供一种高硬度、低摩擦因数、高耐磨性和耐腐蚀性的新型TiCN/CrCN纳米多层膜材料及其制备方法，以更好地提升切削刀具的工作性能，延长其使用寿命。

为了实现上述功能，本发明将采用以下技术方案：

一种TiCN/CrCN纳米多层膜，其特征在于首先沉积复合过渡层，复合过渡层包括Ti金属过渡层和TiN陶瓷过渡层，然后交替沉积纳米尺度的TiCN/ CrCN薄膜，在TiCN为15-20nm，CrCN为5-10nm的调制周期条件下薄膜实现超晶格结构，纳米多层膜产生致硬现象。这种薄膜总厚度在1.5-4μm，硬度可达39.03GPa，附着力可达45.32N，摩擦因数最低为0.137，且72h盐雾试验检验其耐腐蚀性优良。

本发明采用多弧离子镀膜法，镀膜时使用的多弧离子镀膜机由镀膜室、第一弧源、第二弧源、转动单元、进气单元、加热源、真空泵、引弧电源和脉冲偏压电源组成，其中，腔体内侧壁上设有对向设置的第一弧源和第二弧源，腔体中部设有转动单元，腔体上设有分别与真空泵、进气单元相连通的气管，其中，进气单元包括外部气瓶和与外部气瓶相连通的气管。转动单元包括第一弧形板和第二弧形板、旋转底座，第一弧形板和第二弧形板固定安装在旋转底座上形成近圆柱体结构。

本发明所述第一弧源上设有Ti靶，第二弧源上设有Cr靶，基体分别固定在第一弧形板外侧壁和第二弧形板外侧壁，第一弧形板和第二弧形板上可以焊接若干小圆柱以便于基体的悬挂和固定。第一弧形板和第二弧形板尺寸由镀膜室空间大小决定，要保证镀膜过程中基体转动至面向其中一侧的靶的位置时，第一弧形板和第二弧形板可以遮挡另一侧靶的弧光，基体随第一弧形板外和第二弧形板转动依次经过Ti靶和Cr靶的弧光覆盖的区域，以实现TiCN与CrCN的交替沉积。

一种TiCN/CrCN纳米多层膜的制备方法，其特征在于使用多弧离子镀方法制备，包括以下步骤：

（1）采用纯度为99.99%的Ti靶和Cr靶各两块，在镀膜的镀膜室中对向放置。

（2）将第一弧形板和第二弧形板固定安装在旋转底座上形成近圆柱体结构。