阴极弧离子镀制备AlCrN涂层的装置和方法

摘要

本发明涉及AlCrN涂层的制备技术，本发明设计了一种先进的阴极弧离子镀AlCrN涂层的装置，包括电弧发生系统、环境控制系统、工作平台系统和温度控制装置，采用在靶上安装磁极，达到有效控制Cr离子与Al离子的目的，效果良好，确定了Al靶与Cr靶的相对位置关系，再次提高了涂层的表面质量。本发明可以有效提高涂层制备的质量和界面结合强度，适用于各种刀具和模具的表面改性处理，属于先进的材料制备领域。

说明书

技术领域

本发明专利涉及AlCrN涂层的制备技术，AlCrN涂层是共价键化合物，在高温下具有韧性高、耐磨性好和抗粘着等优点，已在刀具、模具、耐磨等领域取得了很好的应用；本发明设计了一种先进的阴极弧离子镀AlCrN涂层的装置，可以有效提高涂层制备的质量和界面结合强度，适用于各种刀具和模具的表面改性处理，属于先进的材料制备领域。

背景技术

随着工业技术水平的发展，传统的刀具已经不能满足切削要求，在机械加工刀具表面制备涂层可以有效的降低摩擦，提高切削效率，提高刀具寿命，提高被加工件的表面精度，具有很高的经济效益；AlCrN涂层是在TiN涂层基础上逐步发展起来的，AlCrN涂层具有在高温条件下仍能保持高硬度，高耐磨性，抗腐蚀性，高抗氧化性和排屑能力良好等特点；AlCrN涂层工艺主要有普通的电弧离子镀、磁控溅射、脉冲激光等方法，存在着残余应力值大、结合强度低、沉积质量差等问题，使其工业应用受到限制；本发明专利设计了一种利用阴极弧离子镀制备AlCrN涂层的装置和方法，可以有效提高涂层质量和界面结合强度。

发明内容

本发明专利是基于在基材表面制备AlCrN涂层而设计的，阴极弧离子镀是在真空环境下，将基材作为阴极，在高电压作用下阳极靶材发生电离产生电弧，产生的等离子体在阴极沉积达到离子的目的；通常在阴极弧离子镀的制备设备中，是采用直线型磁控弧其器和弯曲式磁控弧器，这两种磁场的安装方法都存在离子密度不高的缺陷，导致涂层的质量不够好，本专利率先采用在靶上安装磁极，达到有效控制Cr离子与Al离子的目的，效果良好，确定了Al靶与Cr靶的相对位置关系，再次提高了涂层的表面质量。

阴极弧离子镀制备AlCrN涂层的装置，包括电弧发生系统、环境控制系统、工作平台系统和温度控制装置，所述的工作平台系统由工作台、伺服电机、偏压电源和沉积室组成，Ar进气口与N₂进气口对称分布于沉积室底部两侧，工作台安装在沉积室内部底端的中间，工作台上设有基片，工作台底端与位于沉积室外部底端的伺服电机输出轴相连，连接处密封，偏压电源与伺服电机相连，环境控制系统包括真空泵，真空泵设在沉积室顶端中部，温度控制装置为一般闭环控制系统中常用的PID温度控制装置，PID温度控制装置中的温度传感器安装在工作台上，温度控制系统其它部分安装在沉积室外部，电弧发生系统包括Cr靶及其脉冲电源U₁、Al靶及其脉冲电源U₂和电弧触发器，脉冲电源U₁和脉冲电源U₂位于沉积室外部顶端两侧，Cr靶和Al靶位于沉积室内部顶端两侧，两个电弧触发器分别位于Cr靶和Al靶的下方，通过电弧触发器引弧，其特征在于：分别在Cr靶和Al靶背面安装磁极。

所述的基材的中心和靶材表面中心的距离是90mm。

所述Cr靶与Al靶表面的中心与基材的中心所成角度为84°。

本发明的装置主要包电弧发生系统，环境控制系统，工作平台系统；阴极弧离子镀制备AlCrN涂层的装置如图1所示，沉积室是采用铝合金制的圆柱体真空室，φ400×H450mm，前开门结构，用于材料的安装清洗及更换，在顶部安装抽气真空系统；电弧发生系统包括Cr靶及其脉冲电源U₁提供电压，以及Al靶及其脉冲电源U₂，通过电弧触发器引弧，并由磁极控制离子的分布；环境控制系统包括真空泵用来保证沉积室内的真空度，Ar进气口，N₂进气口作为反应气体的通道，温度控制装置来保证电弧反应温度保持在正常的范围内；工作平台系统包括沉积室作为真空腔，工作台用以装夹基材，伺服电机控制工作台的转动，保证镀层各元素的分布均匀。

附图说明

图1是阴极弧离子镀制备AlCrN涂层装置示意图；

1、Ar进气口；2、沉积室；3、电弧触发器；4、磁极；5、Cr靶；6、Cr靶的脉冲电源U₁；7、真空泵；8、Al靶的脉冲电源U₂；9、Al靶；10、工作台；11、N₂进气口；12、温度控制装置；13、伺服电机；14、偏压电源U₃；

图2是利用本装置制备的AlCrN涂层形貌图；

图3是AlCrN涂层界面结合强度示意图；

图4是AlCrN涂层摩擦因数示意图；

图5是磨损后表形貌图。

具体实施方式

下面结合幅图说明具体的制备AlCrN涂层的方法：

（1）将基材进行表面抛光，然后在丙酮和酒精中超声波清洗15min；将基材安装到工作台10上，基材尺寸100×100mm，调整工作台10的高度保证基材的中心和靶材的距离是90mm。

（2）利用真空泵7将沉积室2内的压强控制在1.3×10^-3Pa以内，在基体与靶材中间放置一块隔板，驱动伺服电机13使工作台10以5rpm速度转动，通入纯氩（Ar，纯度99.99%）控制50sccm的流量保持沉积室2压力在0.5Pa，偏压电源14调定200V，利用等离子清洗基材10min。

（3）阴极离子镀过程中，沉积室2内通N₂与Ar，保证沉积室2内的压强P_总=0.5Pa，P_N2=0.1Pa； Cr靶的脉冲电源U₁6选择25KHz，0~3A可调的电源，以控制Cr在镀层中的含量， Al靶的脉冲电源U₂9选择25KHz，0~3A的电源；在AlCrN涂层离子镀时，U₁调定为2.5A，U₂调定为2.5A；利用包括温度传感器和冷却回路在内的温度控制装置12控制沉积温度200℃，温度控制装置12是采用的一般闭环控制系统中常用的PID温度控制装置，响应快精度高，温度传感器安装在工作台上，温度控制装置其它部分安装在沉积室2外部；偏压电源14施加偏压100V；调定伺服电机13控制工作台10转速15rpm。

（4）Cr靶5与Al靶9安装在真空沉积室顶部，靶材直径均为80mm，Cr靶5与Al靶9的中心与基材的中心所成角度为84°，经多次试验证实在这个夹角下的镀膜质量较高，Al靶9与Cr靶5上所安装的磁极4形成闭合磁感线，确保离子不向外溅射，保证离子密度，提高镀层质量。

（5）Ar进气口1与N₂进气口11对称分布于沉积室2底部的φ300圆周上；系统中所有的电源均安装在沉积室外部，脉冲电源U₁6通过导线与Cr靶5连接，脉冲电源U₂8通过导线与Al靶9连接，偏压电源14与伺服电机13连接。

（6）图2(a)为阴极弧离子镀制备AlCrN涂层表面形貌，涂层表面比较均匀和平整，表面显微硬度H3150-3300，图2(b)为AlCrN涂层结合界面形貌，与基体结合良好，结构致密，形成冶金结合方式。

（7）用划痕法测得AlCrN涂层界面结合强度为79.6MPa，如图3所示，有利于提高其使用寿命；AlCrN涂层摩擦因数与磨损时间关系如图4所示，摩擦性能较好，平均摩擦因数为0.4844；在600g载荷作用下，AlCrN涂层磨损后表面形貌如图5所示，表面为对磨副陶瓷球残留的痕变，未见AlCrN涂层的磨损痕迹，表现出较好的抗磨损性能。