[发明专利]一种CrAlN/ZrO2纳米涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型硬质保护涂层，特别涉及一种CrAlN/ZrO₂纳米多层涂层及其制备方法，主要应用在干式、高速切削加工刀具表面，从而提高刀具的寿命。 

背景技术

随着社会的进步和科技的发展，对材料表面性能提出了越来越高的要求，不仅要求其具有较高的硬度、耐磨、耐腐蚀性能，更要求其具有较高的耐高温性能，以满足越来越高的工程需要。在材料表面涂覆一层硬质涂层是提高材料表面性能的一种经济实用的有效途径，硬质涂层作为机械功能膜的一个重要分支，在机械加工工具中应用很广，特别是在金属切削中占了主导地位。硬质涂层能改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效的提高材料表面硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅度提高涂层产品的使用寿命。它的发展适应了现代制造业对金属切削刀具的高技术要求，引起了刀具材料和性能的巨变，可被广泛应用于机械制造、汽车工业、纺织工业、地质钻探、模具工业、航空航天等领域。 

多年来，三元氮化物由于具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性、较高的抗氧化性能等优点被广泛应用于保护性硬质涂层材料，如TiAlN、CrAlN、ZrAlN和TiSiN等，已经在提高刀具切削精度和使用寿命上取得了较好的效果。然而，随着目前切削技术逐渐向高速切削和干式切削方向发展，对涂层材料的硬度、抗氧化性能、热稳定性等性能提出了更高的要求。传统的单层涂层已逐渐不能满足现代切削技术的要求，因此迫切需要开发新型的保护性涂层材料。随着纳米科学 与技术的发展，纳米多层涂层成为硬质涂层材料的重要发展方向。所谓多层涂层是由两种或两种以上成分或结构不同的材料在垂直于涂层表面方向上相互交替生长而形成的二维多层材料，对于两种不同结构或组成的多层涂层，每相邻两层形成一个基本单元，其厚度称为调制周期，通常将调制周期小于100nm的多层涂层成为纳米多层涂层，研究表明，当调制周期为特定的厚度时，纳米多层涂层将呈现硬度异常升高的“超硬效应”，使纳米多层涂层具有高的力学性能。另外，作为一种二维复合材料，纳米多层涂层可以充分利用每种材料的优点，使其的综合性能得到提升。因此，纳米多层涂层是新型保护型硬质涂层的重要发展方向。 

通过查文献得知，纳米多层涂层目前已经通过多种方法成功制得，取得不少有益的成果，如CrN/TiN、TiN/SiN_x、CrAlN/SiO₂等。通过查询，检索到如下有关制备纳米多层涂层的中国专利： 

申请号为CN200610029132的专利涉及了一种反应磁控溅射TiN/SiO₂硬质纳米多层涂层的制备方法，属于工模具涂层制备技术领域，采用多靶磁控溅射涂层制备设备，在低气压的Ar和N₂混合气氛中，由独立的射频阴极分别控制金属Ti靶和化合物SiO₂靶，通过基体在两靶前产生的等离子体中交替停留形成层状结构。其中TiN层通过金属Ti靶与N₂气反应生成，而SiO₂层则由SiO₂化合物靶直接溅射获得。本发明提供的具有很高生产效率的TiN/SiO₂纳米多层涂层的反应磁控溅射制备技术，可以适用于高速切削和干式切削涂层的工业规模化生产的需要。 

申请号为CN201110082001的专利涉及了一种Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具及其制备工艺，刀具基体材料为硬质合金或高速钢，刀具基体表面为ZrN高硬度涂层，刀具基体与ZrN高硬度涂层之间有Ti过渡层，在Ti过渡层与表面ZrN 高硬度涂层之间为Zr和ZrN交替的多层结构。具体工艺包括前处理、离子清洗、沉积Ti过渡层、反复沉积Zr层和ZrN层、沉积表面ZrN层的步骤。Ti-Zr/ZrN纳米多层涂层刀具含有高硬度ZrN涂层和韧性金属Zr，可以保持较高硬度的同时提高涂层的韧性和与基体间的结合强度，从而提高涂层的耐磨性。然而，该工艺制备的纳米多层涂层的抗高温氧化性能仍需进一步提高。