[发明专利]高功率脉冲磁控溅射CrAlSiN纳米复合涂层及其制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米复合涂层及其制备技术，具体地说是一种CrAlSiN纳米复合涂层的制备工艺。采用高功率脉冲与直流脉冲共溅射技术在金属或硬质合金基体上制备CrAlSiN纳米复合涂层。选用纯金属Cr、Al和Si（纯度均为99.99 wt.%）作为靶材，其中，高功率脉冲选用Cr靶，直流脉冲溅射选用Al靶和Si靶。镀膜前先通入Ar气，采用‑800 V偏压，对基片进行辉光清洗10~30 min。随后开启三个靶材，对基体和靶材表面进行轰击清洗，并逐渐降低偏压至‑30~100V。关闭Al靶和Si靶，沉积纯Cr过渡层10~40min。通入反应气体N₂，并开启Al靶和Si靶，沉积CrAlSiN涂层120~360 min。本发明涉及的CrAlSiN纳米复合涂层综合性能好，制备工艺简单，成分可控，重复性好，容易工业化生产。

技术领域

本发明涉及涂层制备技术，具体地说是一种采用新型高功率脉冲和直流脉冲共溅射技术制备出具有高硬度和高强度的CrAlSiN纳米复合涂层的制备工艺。

背景技术

刀具材料主要有高速钢、硬质合金和陶瓷刀具。高速钢具有较好的韧性，但其硬度低，加工高温合金时极易崩刃、寿命短暂，效率低。硬质合金具有较好的硬度、塑性、韧性、耐磨性等，是切削高温合金最为常用的材料。但在高温下工件中元素容易扩散到刀具材料粘结剂Co相中，削弱硬质相与粘接剂的结合强度，发生粘接磨损和扩散磨损。陶瓷刀具红硬性好于高速钢和硬质合金，但其韧性差、热导率低、易产生裂纹等问题，限制了其应用发展。采用涂层技术可使刀具获得优良的综合机械性能，有效提高切削刀具使用寿命、切削效率和加工表面质量，从而大幅度提高机械加工效率。研究表明：涂层刀具比未涂层刀具寿命提高2~5倍，切削速度提高20%~70%，加工精度提高0.5~1级，刀具消耗费用降低20%~50%。

在涂层发展初期，其成分主要为TiN、TiC等碳化物或氮化物。这类涂层在刀具上仍有较广泛的应用，但其断裂韧性低，且抗高温氧化性能较差，导致其无法满足一些先进加工技术要求。纳米复合涂层CrAlSiN具有超高硬度，好的韧性、耐磨性和耐高温性能，得到越来越多研究者的青睐。目前研究文献中报道的CrAlSiN纳米复合涂层大多采用传统的电弧离子镀或磁控溅射方法制备。高功率脉冲磁控溅射是最新发展起来并广受关注的一种物理气相沉积方法，它利用较高的脉冲峰值功率（约为传统磁控溅射的2~3个数量级）和较低的占空比（0.5%-10%)，获得高的金属离化率（>50%），在获得优异的膜基结合力、控制涂层微结构、降低涂层内应力、控制涂层相结构等方面具有显著的技术优势。高功率脉冲技术制备出的涂层结构比传统磁控溅射组织更加致密，晶粒更加细小，从而表现出优异的综合性能。为此，本发明采用新型高功率脉冲技术结合传统的直流脉冲技术制备一种具有高硬度、高强度的CrAlSiN涂层，进一步提高CrAlSiN纳米复合涂层的综合性能和使役寿命。

发明内容

本发明的目的在于采用新型的高功率脉冲和直流脉冲共溅射技术制备出一种具有高硬度、高强度的CrAlSiN纳米复合涂层，并获得稳定的制备工艺。

本发明的技术方案为：