[发明专利]一种V-Si-N纳米复合硬质涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硬质涂层及其制备领域，尤其涉及一种V-Si-N纳米复合硬质涂层及其制备方法。

背景技术

运用气相沉积技术，将硬质涂层施加于刀具的表面，刀具如烧结碳化物硬质合金、高速工具钢、陶瓷等，已被证明可以显著提高刀具的寿命，并能有效改善工件的切削质量，硬质涂层特别适合施加于合金刀具，用于提高合金刀具的寿命和改善工件的切削质量。这些硬质涂层最典型的代表是钛基二元及多元氮化物，如氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)、钛铝氮(TiAlN)、钛硅氮(TiSiN)、钛铝碳氮(TiAlCN)、钛铝硅氮(TiAlSiN)等。其它的硬质涂层包括但不限于，氧化铝(Al₂O₃)、氮化铬(CrN)、铝钛氮(AlTiN)、铝铬氮(AlCrN)等。针对具体的应用场合，这些硬质涂层可以以单层、多层、叠层、多相复合等多种方式在刀具上加以使用。

通常情况下，沉积上述涂层的刀具在切削过程中与工件之间的摩擦系数比较大(通常大于0.5，甚至大于1)。在切削的过程中，过大的摩擦系数会导致切削区温度高、刀具磨损快、工件切削表面质量不高。在切削钛合金、镍合金等难加工合金时，这一缺点更为明显，并且还有较严重的粘刀现象，甚至导致切削困难或加工速度很低。

论文“超硬涂层和纳米复合涂层”(作者S.Veprek等，2005年发表在Thin Solid Films期刊，第476卷，第1～29页)公开了一种V_1-xSi_xN涂层，用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备，Si的含量x为0～0.13，该V_1-xSi_xN涂层的硬度在20～57GPa的范围内。由于PECVD的制备采用SiH₄和VCl₄为原料，氯原子和氢原子在高温下进入基体材料，容易造成基体晶间腐蚀，使刀具变脆，同时该涂层中的氢原子与沉积涂层的其他原子之间形成弱氢键，使涂层变脆，导致涂层的摩擦系数变大。此外，PECVD采用有毒的气体为原料，增加了环境污染的可能性，存在着技术问题。

发明内容

本发明提供了一种V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法，其可操作性强、可控性好、易于实施。

一种V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法，包括以下步骤：

(1)基体清洗；

(2)沉积涂层：在真空室中，将Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶到基体的距离均为5cm～10cm，Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，进行预溅射，再通入N₂气，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，在350℃～600℃和0.3Pa～1.0Pa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层；

所述的Si靶的功率密度为0.5～2.5W/cm²，V靶的功率密度为2.5～6.5W/cm²，所述的基体的偏压为-30V～-70V。

步骤(1)中，所述的基体清洗可采用本领域常用的基体清洗方法。

为了取得本发明更好的效果，以下作为本发明的优选：

步骤(1)中，所述的基体清洗包括以下步骤：

先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂中在60～70℃的温度下超声清洗3～10分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂中在50～60℃的温度下超声清洗3～10分钟，再在45～55℃的去离子水中超声清洗0.5～3分钟，最后将清洗后的基体放入95～105℃的真空干燥箱中烘烤3～10分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上；

或者，先将基体放入丙酮中在60～70℃的温度下超声清洗3～10分钟，然后放入乙醇中在50～60℃的温度下超声清洗3～10分钟，再在45～55℃的去离子水中超声清洗0.5～3分钟，最后将清洗后的基体放入95～105℃的真空干燥箱中烘烤3～10分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。

步骤(1)还包括：在基体沉积涂层之前，采用高压N₂气对基体进行清洗，以清洗掉基体表面有可能附着的气体或微尘颗粒，保持基体足够的清洁度。