[发明专利]一种自组装纳米氧氮化物涂层及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种自组装纳米氧氮化物涂层的制备方法，采用传统PVD技术制备，根据靶材不同距离范围内等离子体能量和密度分布不同的现象，通过调整样品转架自转及公转速度，改变样品在不同等离子体区域停留的时间，从而制备自组装纳米多层氧氮化物涂层。该涂层包括富氧层和富氮层，富氧层和富氮层交替沉积在基体上，涂层成分为Al：20～35at.％，Cr:10～25at.％，Si：0～15at.％，O：5～50at.％，N：10～50at.％。本发明的制备工艺简单，成本低廉，适应性好，兼顾氮化物以及氧化物涂层的优势，有很大的应用推广潜力。

技术领域

本发明属于材料涂层领域，更具体地，涉及一种自组装纳米氧氮化物涂层及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，采用PVD技术在工模具、机械零部件等产品上涂覆金属氮化物、氧化物、碳化物等来提高产品表面性能和使用寿命的方法已经成为一种广泛应用的表面改性技术，其中金属氮化物涂层是刀具涂层主流。随着加工技术的发展，高速切削刀具和热作模具等高温应用环境，对涂层的高温性能要求越来越高。TiC、HfC和TiN、CrN、TiCN等传统碳(氮)化物涂层高温抗氧化温度在600℃以下，无法满足高速切削的要求。为提高耐热性，Al、Cr、Si等防护元素和Y等稀土元素加入氮化物涂层，如AlTiN、AlCrN、AlTiSiN、AlTiYN等，提高了涂层的高温性能，但提升空间有限，高温性能最好的AlCrN涂层，耐热温度也只能达到900-1000℃左右。为进一步提高硬质涂层高温性能，有必要发展新的涂层体系。与氮化物涂层相比，氧化物涂层热化学稳定性更好，如氧化铝涂层耐热性可到1200℃以上，但氧化物涂层脆性高、硬度低(低于20GPa)。TiCN/Al₂O₃/TiN等复合涂层一定程度上改善了涂层的高温性能，通过氧化物/氮化物交替多层(10-400层)设计，TiAlN/Al₂O₃多层刀具涂层兼具氮化物硬度、韧性好和氧化物优异高温化学稳定性的优点，在高速切削和热作模具加工铝等表现良好；由于氧化铝的高绝缘性，该涂层需采用特殊的RF(射频)溅射和BP-DMS(双极脉冲孪生靶溅射)技术，增加设备成本，且沉积速率偏低，限制了其推广应用。因此，发展工艺简单兼具氧化物与氮化物优势的新型涂层成为目前急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提供一种自组装纳米氧氮化物涂层的制备方法，该方法采用传统电弧离子镀和磁控溅射制备，根据靶材不同距离范围内等离子体能量和密度分布不同的现象，通过调整样品转架自转及公转速度，改变样品在不同等离子体区域停留的时间，从而实现涂层中纳米多层的自组装生成。该涂层制备工艺简单，成本低廉，适应性好，且兼顾氮化物以及氧化物涂层的优势，有很大的应用推广潜力。

本发明的另一目的是提供一种上述方法制备的自组装AlCr(Si)ON纳米氧氮化物涂层。

本发明的再一目的是提供上述自组装纳米氧氮化物涂层的应用。

本发明上述目的通过以下技术方案予以实现：

一种自组装纳米氧氮化物涂层的制备方法，包括如下具体步骤：

S1.金属基体清洗：将基体抛光处理，然后先后用丙酮、酒精超声清洗10～20min，再用氮气吹干后装入真空室内；

S2.Ar和金属离子轰击：将靶材Cr靶和AlCr(Si)靶安装进设备，打开加热器升温至300～500℃，将真空室抽真空至真空度1.0～8.0×10^-3Pa；然后通入200～300sccm的Ar气，设置工件支架偏压-800～-1000V，对基体表面进行溅射清洗，轰击时间10～20min；再将偏压降至-600～-800V，点燃Cr靶，靶材电流60～150A，用高能Cr离子轰击基体3～15min，活化金属基体表面以提高膜-基结合力；