[发明专利]基于硬质合金或陶瓷基体表面制备V-B-Al-N纳米硬质薄膜的方法

说明书

本发明公开了基于硬质合金或陶瓷基体表面制备V‑B‑Al‑N纳米硬质薄膜的方法，本发明的V‑B‑Al‑N硬质纳米结构薄膜由V‑B‑Al‑N固溶体及非晶B₃N₄构成。采用高纯V靶、B靶和Al靶共焦射频反应溅射，沉积在高速钢等硬质合金或陶瓷基体上，V‑B‑Al‑N硬质纳米结构薄膜的厚度为2~3μm，薄膜中薄膜Al的相对含量（Al/(V+B+Al)）为1.29～38.82%，B相对含量（B/(V+Al+B)）大致稳定在8%。这种硬质涂层能够获得24.00GPa的高硬度，兼具优异的摩擦磨损性能，室温干切削实验下，其摩擦系数为0.4977；700℃干切削实验下平均摩擦系数为0.3553。

技术领域

本发明涉及一种涂层及其制备方法，尤其涉及基于硬质合金或陶瓷基体表面制备V-B-Al-N纳米硬质薄膜的方法。

背景技术

现代加工技术的发展，对刀具涂层提出了诸如“高速高温”、“高精度”、“高可靠性”、“长寿命”等更高的服役要求，除了要求涂层具有普通切削刀具涂层应有优良的摩擦磨损性能外，更需要涂层具有的高硬度、优异的高温抗氧化性。对于极端服役条件下如干式加工，难加工材料如硬质工具钢等的机加工仍然是一个挑战。与当代加工制造业所要求的理想高硬度减磨耐磨涂层相比，此类硬质涂层的摩擦磨损性能仍有差距。目前生产上急需一种能够兼具高硬度和优良摩擦磨损性能的工具涂层。

由于在高温干切削环境下能够生成具有自润滑性能的V₂O₅，VN薄膜体现出优异的摩擦性能。但是，VN薄膜硬度不高、热稳定性不理想等缺点限制了其在刀具工业中的应用。所以国内外学者以VN为母体，引入B元素，以期能改良其力学性能。然而，B元素的引入虽能提升薄膜硬度，但是其热稳定及摩擦磨损性能不佳。有研究表明，在薄膜中引入适量的Al能够提高薄膜的硬度和热稳定性能。例如，目前最常用的TiN涂层的硬度约为23GPa，500℃左右便出现了一定程度的氧化现象；TiAlN涂层硬度虽高达40GPa，其抗氧化性能在1000℃以上。Al的这种作用在CrAlN、ZrAlN等薄膜中也有所体现。我们有理由相信，V-B-Al-N薄膜由于形成了置换固溶体，所以，薄膜的硬度和热稳定性能较之V-B-N薄膜会有所改善。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供基于硬质合金或陶瓷基体表面制备V-B-Al-N纳米硬质薄膜的方法，本发明克服了现有V-B-N系纳米结构复合膜力学性能不理想等缺点，具有较高生产效率，兼具高硬度和优异的摩擦磨损性能，可作为高速、干式切削的纳米结构硬质薄膜。

本发明的技术思路：本发明的V-B-Al-N硬质纳米结构薄膜由V-B-Al-N固溶体及非晶B3N4构成。采用高纯V靶、B靶和Al靶共焦射频反应溅射，沉积在硬质合金或陶瓷基体表面等硬质合金或陶瓷基体上，V-B-Al-N硬质纳米结构薄膜的厚度为2~3μm，薄膜中薄膜Al的相对含量（Al/(V+B+Al)）为1.29～38.82%，B相对含量（B/(V+Al+B)）大致稳定在8%。这种硬质涂层能够获得24.00GPa的高硬度，兼具优异的摩擦磨损性能，室温干切削实验下，其摩擦系数为0.4977；700℃干切削实验下平均摩擦系数为0.3553。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

基于硬质合金或陶瓷基体表面制备V-B-Al-N纳米硬质薄膜的方法，包括以下步骤：

步骤一：将硬质合金或陶瓷基体表面基片表面作镜面处理，并置于复合型高真空多靶磁控溅射设备的镀膜舱内，镀膜舱内预先设定好V靶、B靶和Al靶的位置，硬质合金或陶瓷基体表面基片到V靶、B靶和Al靶的距离固定在11cm；

步骤二：对复合型高真空多靶磁控溅射设备的镀膜舱进行抽真空操作，真空室本底真空度优于6.0×10^-4Pa后向真空室中通入纯度为99.999%的Ar₂和N₂起弧；