[发明专利]一种制备自分层复合结构铬铝氮超硬膜的镀膜处理方法

说明书

发明公开了一种制备自分层复合结构铬铝氮超硬膜的镀膜处理方法，该方法包括如下步骤:(1)将基材进行超声清洗，烘干后装夹于可行星式旋转的工件架上，并置入密封腔室；(2)采用辉光放电对基材进行氩离子轰击清洗；(3)点燃阴极蒸发源，向腔室内通入氮气，在基材上施加负电位并开动工件架，使用电弧离子镀进行铬铝氮硬质膜的制备；(4)镀膜结束后，通过低温循环水对腔室进行冷却，取出即得。与传统的铬铝氮硬质膜相比，本发明采用先进电弧离子镀技术，合理设置了工件架旋转速度，使得所制备的薄膜形成微观自分层的多层纳米复合结构，进一步提高涂层的硬度，使其具有极高的显微硬度和弹性模量，分别达到40GPa以上和796GPa以上。

技术领域

本发明涉及材料表面改性领域，具体涉及一种制备自分层复合结构铬铝氮超硬膜的镀膜处理方法。

背景技术

在现代科技发展的潮流下，机械加工朝着高精度、高表面完成度和高速化方向发展。因此对刀具的切削性能和寿命提出了越来越高的要求：更高的硬度、更好的抗黏着磨损性以及更高的热稳定性。裸露、均一的高速钢和硬质合金刀具已经不能满足这方面的性能要求。为了使得刀具满足要求，需要对其进行表面涂覆处理。物理气相沉积硬质膜是最有效以及最广泛应用的刀具表面处理技术。现在已经成为刀具技术不可或缺的一环，成为刀具三大技术之一。硬质膜的种类有很多，其中兼具韧性和硬度过渡金属氮化物薄膜成为应用最广泛的刀具涂层。

在高速切削、或者难加工材料的切削中，刀刃温度急剧升高，使得黏着磨损倾向大大增加，同时严峻地考验着刀尖材料的热稳定性。具有最高使用温度(约1000℃)的铬铝氮(Cr-Al-N)涂层是高速切削和难加工材料最合适刀具涂层材料。然而该种硬质膜的最大缺陷是硬度偏低，往往不足30GPa。因而迫切的需要通过开发提升铬铝氮膜的硬度。

固定种类的硬质膜其结构和性能取决于制备手段。物理气相沉积中应用于硬质膜生产的工艺有两种：磁控溅射和阴极电弧。磁控溅射沉积速率较低不利于提高效率。而沉积速率和离化率都高的阴极电弧成为生产硬质膜的主要工艺手段。传统阴极电弧制备的铬铝氮涂层硬度不高，液滴比例很高，不能发挥出该膜系的性能。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有铬铝氮薄膜硬度的不足，提供了一种制备自分层复合结构铬铝氮超硬膜的镀膜处理方法。

本发明采用以下技术方案：

一种制备自分层复合结构铬铝氮超硬膜的镀膜处理方法，其特征在于，包括如下步骤:

(1)将基材进行超声清洗，烘干后装夹于可行星式旋转的工件架上，并置入密封腔室；

(2)采用辉光放电对基材进行氩离子轰击清洗；

(3)点燃阴极蒸发源，向腔室内通入氮气，在基材上施加负电位并开动工件架，使用电弧离子镀进行铬铝氮硬质膜的制备；

(4)镀膜结束后，通过低温循环水对腔室进行冷却，取出即得。

优选地，步骤(1)中，所述的超声清洗是将基材置于乙醇中超声清洗5-15分钟。

优选地，步骤(2)中，用氩气作为辉光放电气体，气压为1.0-2.5Pa，时间为1-2小时。

优选地，步骤(3)中，通入氮气后炉内气压保持在1.5-3.5Pa，腔室内温度保持在400-600℃，基材负偏压为65-185V，工件架转动速度为2-10rpm。

优选地，步骤(4)中，镀膜结束后工件在腔室中随炉冷却至100℃以下取出。

本方法是将钢和硬质合金基体超声清洗后，置入密封腔室内抽真空，然后在基体上施加脉冲偏压并通入氩气，利用气体辉光放电技术对其表面进行离子轰击刻蚀，去除表面吸附物和氧化层，随后通入氮气，点燃阴极电弧蒸发源进行镀膜，在基体表面上制得数微米厚的铬铝氮薄膜。

本发明的有益效果：