[发明专利]用二元蒸发源制备工模具硬质涂层的方法

说明书

技术领域

本发明属于工模具硬质涂层的制备方法技术领域，具体涉及一种用真空离子蒸发 镀附加磁控溅射离子镀的二元蒸发源技术制备工模具硬质涂层的方法，尤其可直接用 于切削刀具的涂覆。

背景技术

表面涂层技术作为现代切削刀具应用新技术的一种，其通过化学或物理的方法在刀 具表面上获得的微纳米级薄膜，因具有硬度高、润滑性好、高温性能优异等特点，可 使切削刀具获得优良的综合机械性能，有效地延长刀具使用寿命、改善刀具切削性能、 提高机械加工效率。

1980年后，物理气相沉积(PVD)的TiN涂层技术已广泛应用于工模具。TiN涂层 的优越性，制备工艺过程的清洁性，促进了该项技术的迅速发展。但单涂层刀具由于 基材与涂层两者的硬度，弹性模量及热膨胀系数相差较远，晶格类型也不尽相同，导 致残余应力增加，结合力较弱。因而随着现代切削技术的发展，为更好的满足硬切削、 干式切削、高速高效加工的要求，对涂层的综合性能要求也越来越高，发展多元合金 复合反应涂层技术成为了该领域的研究热点。在理论研究分析过程中发现，过渡族金 属的二元氮化物、碳化物往往可以彼此互溶，在TiN膜中加入合金元素，合金元素进 入TiN晶体的某一晶胞时可以取代Ti原子，从而形成含合金元素的(Tix，Me1-x)N 的复合氮化物涂层，如果这些晶体结构参数和TiN晶体差别较大，那么含有(Tix，Me1-x) N晶胞的TiN晶体整体性能将发生明显的变化，并且可全面提高TiN涂层性能。因此， 近年来在原有的单一涂层TiN薄膜基础上，通过添加一些Cr、Zr、Si等元素已开发了 诸多的薄膜材料，如TiZrN、TiCN、TiBN、TiAlN、TiCrN等，并大幅度的改善原有薄 膜材料的硬度、韧性及高温抗氧化性，更好地适应了切削加工多样性需求。如在TiN 膜中添加Zr元素，与TiN相比可获得更好的膜基结合力、硬度及抗氧化性；在TiAlN 涂层中，以Cr元素代替Ti元素，形成CrAlN的膜具有3200Hv硬度和1100℃氧化温度 的高性能，与TiAlN比较，韧性更好，更适合用于断续切削如铣削、滚削；而在TiAlN 涂层中，以Si元素代替Al元素形成Ti-Si-N涂层，具有40Gpa的显微硬度，适用于 硬切削。

工模具的物理涂层技术主要建立在离子镀膜的基础上，大密度、高能量离子有助 于薄膜组织的致密性、均匀性及结合力的提高。目前，文献报道的PVD制备多元合金 复合反应薄膜普遍采用的是阴极电弧、磁控溅射法或离子蒸镀法，其所用的靶材为 Ti-Zr合金靶材或分置的纯Ti、Zr靶材。

阴极电弧法虽具有高的离化率、沉积速率、优良的膜基结合力等特点，但其存在 “液滴”现象，所获得的薄膜组织粗大，表面颗粒在2～5μm；此外对于多元合金涂覆 而言，还存在成分偏离的问题，而成分偏离是影响膜层性能的重要因素，尤其是在较 高基体偏压的条件下更是如此。

磁控溅射法虽利于各类单质及化合物的蒸发，成分的偏离较小，更适合多元合金 复合反应薄膜的制备，但又存在反应物质离化率低、离子能量低，尽管已有的非平衡 磁场、辅助离子源技术可在一定程度上弥补这些缺陷，但不够理想，使得相对离化率 偏低、涂层绕镀性差的问题在一定程度上影响了该技术的应用开发。

离子蒸镀法虽具有适宜的离化率及离子能量，所制备出的薄膜组织致密性与磁控 溅射相似，而均匀性及膜基结合力则优于磁控溅射法，但因适宜的反应蒸发材料范围 狭窄，使所能制备的膜系受到很大限制。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种真空离子蒸发镀附加磁控溅 射离子镀的二元蒸发源技术，在常规工模具产品上镀制多层多元合金复合反应硬质涂 层的方法。该方法既可通过提高合金元素的离化率来增强反应物质离化率，又有助于 产品绕镀性及薄膜均匀性的改善。

本发明提供的方法是先直接将待制备的常规工模具产品进行清洗干燥后，置于镀 膜室内依次抽真空、加热和等离子清洗，然后按以下顺序镀膜后冷却：

1)镀制过渡层Ti+TiN在氩气保护下，用电子束加热，以Ti作为蒸发源进行镀 制，然后再通入氮气与Ti一起继续镀制；

2)镀制抗冲击耐磨层Ti-Zr-N在氩气保护下，用电子束加热Ti蒸发源，用磁控 溅射法溅射Zr，同时通入氮气进行镀制；

3)镀制抗氧化层ZrN在氩气保护下，用磁控溅射法溅射Zr，同时通入氮气进行 镀制。