[发明专利]一种多层纳米复合涂层

说明书

技术领域

本发明涉及涂层领域，尤其涉及一种在机床刀具上使用的复合涂层，属于机械领域。

背景技术

硬质涂层主要是通过气相沉积方法，在刀具基体上沉积的高硬度耐磨防护涂层。目前，硬质涂层已广泛应用于钻头、丝锥、立铣刀、铰刀、可转位铣刀片、焊接刀具等的防护处理，以及模具、耐磨机械零部件等的表面处理领域。通常，这类涂层具有极高硬度、极高耐磨性，结合刀具基体的高强度、高韧性等优点，涂层处理可显著提高刀具的耐磨性而不降低其韧性，赋予刀具优异的综合机械性能，进而延长切削刀具使用寿命，大幅提高机械加工效率。此外，硬质涂层涂覆于零部件可以有效地降低各零部件的机械磨损及高温氧化倾向，从而延长机械零部件的使用寿命，这些良好的综合性能使得硬质涂层在工业材料尤其是刀具材料中有着重要的应用前景。

刀具涂层技术较好地解决了刀具材料硬度和耐磨性越高而韧性和强度越差的矛盾，大大提高了切削刀具的耐用度、适用性和工作效率。自涂层刀具被应用以来，刀具涂层技术取得了飞快的发展，涂层种类也越来越多。TiC和TiN体系是最早出现的刀具涂层材料。TiC涂层硬度高，但脆性大，不耐冲击，使用温度不能超过500℃。TiCN韧性好，使用温度可达到600℃，也是目前工艺最为成熟和应用最为广泛的刀具涂层材料，但涂层膜层结合力差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种硬质合金，采用纳米复合多层结构，以达到提高硬质合金的膜层结合力的发明目的。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

本发明提供了一种涂层，所述涂层为一种多层纳米复合涂层，包括过渡层和表涂层，其中表涂层为TiCN纳米涂层；所述过渡层为Ti、TiC、TiN、或Ti/TiN纳米层；其中过渡层厚度为100-200nm，表涂层为600-800nm。

本发明还提供了制备上述纳米复合涂层的方法,采用多靶位、靶材基座能旋转选择工作靶材的溅射设备；

衬底采用单晶硅片、玻璃片或钢片；先对衬底进行处理，将衬底分别在丙酮和乙醇中各超声清洗20min，烘干；

将衬底固定于溅射设备的样品架上置于溅射靶前，安装靶材于靶位上，靶基距为16cm；腔体温度加热至300℃，抽真空至4.0×10^-3Pa以下，通入气压为1.0Pa的Ar气，基体偏压-350V，对衬底进行辉光刻蚀25min；

开启高功率脉冲电源沉积过渡层，膜层为100-200nm；

最后，通入N2，流量20sccm，保持腔体气压0.35Pa，调整偏压-50--300V，频率为350kHz，，沉积TiCN涂层，采用脉冲溅射，脉冲电压700V，脉宽180μs，频率100Hz，靶功率850W；沉积时间为80-100min，膜层厚度600-700nm。

本发明的有益效果：本发明提供的纳米合金复合涂层，其多层纳米结构的设计使得本涂层综合具有膜基结合力强、涂层致密的优点，从而达到高硬度、高韧性、高耐磨和高温抗氧化性等涂层优点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的进一步说明。采用的沉积系统为的腔体尺寸：Φ800×800mm；真空可低于1×10^-5torr；加热温度可达500℃；气体流量0-100sccm；溅射靶基座：：可承载2个溅射靶材的转盘，可旋转。

实施例1

衬底采用P型(100)单晶硅片、玻璃片、钢片；对衬底进行处理，将衬底分别在丙酮和乙醇中各超声清洗20min，烘干；

将衬底固定于溅射设备的样品架上置于溅射靶前，靶材为合金靶靶TiC，靶基距为16cm；腔体温度加热至300℃，抽真空至4.0×10^-3Pa以下，通入气压为1.0Pa的Ar气，基体偏压-350V，对衬底进行辉光刻蚀25min；

开启高功率脉冲电源沉积TiC过渡层，膜层约200nm；

最后，通入N2，流量20sccm，保持腔体气压0.35Pa，调整偏压-50--300V，频率为350kHz，脉冲反转时间为2μs，沉积TiCN涂层，采用脉冲溅射，脉冲电压700V，脉宽180μs，频率100Hz，耦合直流电流1.0A，靶功率850W；沉积时间为80-100min，膜层厚度600-700nm。

实施例2

衬底采用钢片；对衬底进行处理，将衬底分别在丙酮和乙醇中各超声清洗20min，烘干；

将衬底固定于溅射设备的样品架上置于溅射靶前，将靶材纯金属靶Ti和合金靶TiC分别安装在靶材基座上的两个不同靶位上，靶基距为16cm；