[发明专利]一种基于HIPIMS技术的CrAlN涂层制备方法

说明书

本发明公开了一种基于HIPIMS技术的CrAlN涂层的制备方法，本发明采用高功率脉冲磁控溅射技术(High Power Impulse Magnetron Sputtering，HIPIMS)，使用高能脉冲靶(High pulse power cathode)和双极脉冲靶(Bipolar pulsed sputtering cathodes)共溅射的方式，沉积(H+B)CrAlN涂层；同时采用第四代电弧离子镀技术(ARC evaporators)沉积ARC CrAlN涂层。通过划痕试验、X射线衍射、微观形貌观察、电化学腐蚀测试等分析涂层各方面的性能后发现，共溅射制备的(H+B)CrAlN涂层膜基结合力更强，临界载荷最高可达到62.4N；其表面晶粒更细小，缺陷少，断面组织致密；同时(H+B)方法制备的CrAlN涂层高温抗氧化性最佳；在涂层耐腐蚀性能方面共溅射制备的涂层比电弧离子镀制备的涂层更耐蚀。

技术领域

本发明属于涂层材料技术领域，具体涉及一种基于HIPIMS技术的CrAlN涂层制备方法。

背景技术

21世纪以来，高性能材料及难加工材料应用越来越广泛，对加工这些材料使用的工具要求也越来越高，刀具、模具及各种机械零部件产品的质量和性能的提升逐渐成了机械加工行业关注的热点。提升刀具、模具性能较为经济有效的手段是对其表面改性。硬质合金涂层材料发展历程方面，研究热点从上世纪80年代TiN、90年代TiAlN、21世纪初CrN涂层，发展到近年来的CrAlN涂层。2006年Balzers公司推出了一种CrAlN系列涂层刀具拥有优异的综合性能，该涂层的实用范围很广，而且在中低转速时该涂层的加工效率和寿命明显优于目前大量使用的TiAlN系列涂层。但该涂层技术方案仍是商业秘密。

CrAlN涂层会形成亚稳态的三元固溶体CrAlN，它在硬度、韧性和抗氧化性等方面均有显著提高，在较高的服役温度下，表现出了良好的抗氧化与耐腐蚀性能。

硬质合金涂层制备方法上，HIPIMS技术近年来发展起来，目前成为研究的热点。国际上以瑞典Kouznetsov等人为首开辟了HIPIMS技术的先河。近年来Bobzin等采用HIPIMS技术沉积TiAlSiN纳米复合涂层，将涂层刀具切削寿命提高了近一倍，Hovsepian等将HIPIMS技术和传统直流磁控溅射技术相结合，共溅射沉积CrAlYN/CrN纳米超晶格涂层，得到的涂层组织致密，大大改善了涂层的结合力；国内多采用传统的多弧离子镀和直流磁控溅射方法沉积硬质合金薄膜，但膜基之间结合力较差，涂层易剥落失效，电弧离子镀技术有高金属离化率和强膜基结合力的优点，但是在沉积过程中容易产生的大量宏观颗粒堆积，造成涂层表面粗糙，且涂层的内应力高。国内对HIPIMS技术的研究集中出现在2010年之后，并且侧重于HIPIMS理论基础性研究，对于涂层结构、工艺的讨论较少。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种基于HIPIMS技术的CrAlN涂层的制备方法，采用高能脉冲靶(High pulse power cathode)和双极脉冲靶(Bipolar pulsed sputteringcathodes)共溅射的方法，旨在提高涂层的膜基结合力、硬度和表面致密度，为产业化提供参考，具体步骤为：

步骤S1:将高速钢基片表面处理干净；

步骤S2:镀膜过程在有效镀膜空间为φ600mm×600mm的立圆柱体真空室内进行，真空室内配备第四代电弧离化源阴极电弧系统，双极脉冲电源系统Bipolar 4020以及高能脉冲磁控电源Highpulse 4002，CrAlN涂层采用合金CrAl靶；

步骤S3:将高速钢基片装夹在转速为2pm的转架上，开始沉积前本底真空为5×10-4Pa，沉积温度为400℃；真空室内通入纯Ar控制在2Pa的气氛环境下，在-1000V偏压条件下轰击10min；