[发明专利]一种利用调制高功率脉冲磁控溅射制备AlTiN硬质涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用调制高功率脉冲磁控溅射制备AlTiN硬质涂层的方法。

背景技术

随着现代化金属切削加工对加工效率、加工精度、加工速度的要求不断提高，少冷却液和无冷却液(干切削)的高速切削加工被广泛应用。在高速加工过程中刀具表面的温度最高可达900℃以上，使得刀具寿命严重下降，因此要求刀具具有高的硬度，低的摩擦系数、良好的耐磨性和抗高温氧化性等性能。目前，表面涂层技术已经成为改善刀具性能，延长刀具使用寿命，提高加工效率的主要途径。改善刀具涂层的性能主要可以通过两个方面提高：一是在涂层中添加新的化学元素，二是通过涂层技术的选择和沉积的参数优化。AlTiN涂层是在二元TiN涂层基础上发展起来的典型的三元Ti基涂层。涂层中的Al原子直接以置换固溶的形式替换TiN晶格中的Ti原子，同时仍可保持为FCC结构。Al元素的掺入使得涂层的强度及耐高温性能均得到了明显的提高。此外，涂层中的Al元素与空气中的O反应形成Al₂O₃氧化膜，结构致密，可起到抑制氧化、耐磨及隔热作用，并使更多的热量通过切屑带走，降低了刀具体温度，高温耐磨性能十分优异。迄今为止，通过增加AlTiN涂层中的铝含量，从而增强刀具涂层的耐高温性能和硬度，一直是刀具制造商和涂层公司关注的重大技术课题。

另外，不同制备技术对于涂层性能有很大程度的影响。目前用于硬质涂层沉积的PVD技术主要是磁控溅射和电弧离子镀两类。传统的磁控溅射技术虽然具有表面光滑、无颗粒缺陷等诸多优点，但溅射金属大多以原子状态存在，金属离化率低(～1%) ， 导致膜基结合力较差，涂层易剥落失效。相比于磁控溅射，电弧离子镀具有较高金属离化率和强膜基结合力的优点。然而，在沉积过程中产生的大量宏观颗粒，导致涂层表面粗糙，膜内应力高。两种应用比较成熟的 PVD 主要技术都不可避免地存在一些缺点， 并成为其进一步产业化应用中的关键技术瓶颈。

近些年发展起来的高功率脉冲磁控溅射技术（High Power Impulse Magnetron Sputtering, HIPIMS）综合了磁控溅射低温沉积、表面光滑、无颗粒缺陷和电弧离子镀金属离化率高、膜基结合力强、涂层致密的优点，且离子束流不含大颗粒，控制涂层微结构的同时获得优异的膜基结合力，在降低涂层内应力及提高涂层致密性、均匀性等方面具有显著的技术优势，被认为是PVD发展史上近30年来的最重要的一项技术突破，特别在硬质涂层的应用方面具有显著优势。目前高功率脉冲磁控溅射技术成为 PVD 技术的研究热点， 且呈日益增长趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供了一种利用调制高功率脉冲磁控溅射制备AlTiN硬质涂层的方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

一种利用调制高功率脉冲磁控溅射制备AlTiN硬质涂层的方法，包括抽真空、基体除气、基体清洗和在基体上溅射沉积AlTiN硬质涂层，其特征在于，在基体上溅射AlTiN硬质涂层的工艺参数如下：

调制高功率脉冲电源的放电电压300～600 V，频率100～300Hz，峰值电流100～300 A，峰值电压400～800V；

靶材的成分为：Al 60～70 at.%，余量为Ti；

氮气流量为100～300sccm；

基体负偏压：50～200V。

优选地，溅射沉积时间为60～180分钟。

优选地，将真空度抽至1×10^-3～8×10^-3Pa后，再将基体加热至300～500℃进行除气，直至真空度达到1×10^-3～8×10^-3Pa。

优选地，完成除气后，在真空度为0.5～1Pa下利用等离子体源对基体进行清洗。

优选地，等离子体源功率为5～10 kW，清洗时间10～30分钟。

采用本发明方法制备的AlTiN硬质涂层相对于采用传统技术制备的AlTiN涂层，具有硬度高，表面无大颗粒，结合力强，摩擦系数及切削力小的优点，从而沉积有该AlTiN涂层的硬质合金及高速钢刀具适用于高速条件下的高硬度钢材料切削加工。实验测试表明，该AlTiN涂层具有超过30 GPa的硬度，铣刀寿命约为传统电弧离子镀的2倍，切削力明显低于传统电弧离子镀。使用本发明制成的刀具，其抗机械磨损性能和抗高温氧化性能均有大幅度提高，可以满足高速加工对刀具材料更好性能的需求，有巨大的市场潜力和使用价值。