纳米超晶格结构的超硬复合膜刀具及其沉积方法

摘要

本发明公开了一种纳米超晶格结构的超硬复合膜刀具及其沉积方法，涉及新材料技术领域中一种超硬复合膜刀具及其沉积方法，具体地说，涉及工作靶的设置及靶材成分。本发明在真空室4中共设置有内靶1、中靶3、外靶2；沉积步骤有：①沉积过渡层；②沉积纳米超晶格结构超硬膜TiAlN/TiAlYN/TiAlN/CrN；③沉积表面自润滑膜。按本发明沉积出的纳米超晶格结构超硬膜，具有较高的显微硬度和耐氧化性，大大超过了常规的刀具涂层的性能。本发明是一套完整的刀具优质涂层镀膜方法，它将起粘附作用的过度层、主耐磨层和表面自润滑层非常完美地结合起来，使这种刀具优质涂层能适应现代制造业对金属切削刀具非常苛刻的技术要求，提高了高档刀具的使用寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及新材料技术领域中一种超硬复合膜刀具及其沉积方法，具体地说，涉及靶的设置及靶材成分。

背景技术

在金属切削刀具的表面用真空离子镀的方法镀一层硬质膜，可以大幅提高刀具的使用寿命，已经成为高档刀具制造不可缺少的工序。随着现代制造业的飞速发展，对刀具涂层提出了越来越高的要求，通常使用的氮化钛(TiN)、碳化钛(TiC)和氮化钛铝(TiAlN)等已不能满足需要。

目前，国际上不断涌现新的超硬膜应用于金属切削刀具涂层。英国的P.Eh.Hovsepian等采用磁控溅射和阴极电弧离子镀相结合的方法，沉积纳米超晶格结构TiAlN/TiAlYN/和TiAlN/CrN超硬膜，[J].P.Eh.Hovsepian，D.B.Lewis，W.D.munz，Surf.coat.Technol.133-134(2000)166-175；P.Eh.Hovsepian，W.D.munz，Vacuum69-(2003)27-36)。该膜的最高显微硬度高达55-60GPa，抗氧化温度超过900℃。

为了将这一优质超硬膜应用于切削刀具实现产业化，还需要完善刀具涂层的膜系设计，才能保证现代加工业对刀具涂层的技术要求。上述技术距离生产实用还有相当大的差距。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种适用工业化生产的纳米超晶格结构的超硬复合膜刀具及其沉积方法。要求复合膜除了具有较高的显微硬度和耐氧化性外，还应具有牢固的附着力和低摩擦系数的表面自润滑性能，生产低成本和高生产效率；这要求是工业生产型设备不可缺少的。

本发明的目的是这样实现的：

1、复合膜的膜系设计

金属切削刀具和模具使用的超硬复合膜，要求具有“超硬、强韧、耐温、低磨损、自润滑”和很高的附着力。很显然，任何单一材料都不能全面满足上述技术要求。沉积超硬复合膜应向着多元化、多层膜的方向发展。

如图1所示，在刀具8上的第一层为起粘附作用的过渡层A，第二层为主耐磨层——纳米超晶格结构超硬膜(TiAlN/TiAlYN/TiAlN/CrN，简称超硬膜)B，第三层为低摩擦系数的自润滑膜C，全部膜层在一台镀膜机上一次完成；

所述的过渡层A为掺钇的氮化钛(TiN)或碳化钛(TiC)复合膜；

所述的超硬膜B为n层氮化钛铝(TiAlN)B1、掺钇(Y)的氮化钛铝(TiAlYN)B2、氮化钛铝TiAlN B1、氮化铬(CrN)B3；1000≤n≤9000。

所述的自润滑层C为一种掺铬(Cr)的类金刚石膜(DLC-Cr)。

2、工作靶的设置

本发明在多靶位真空离子镀膜机上沉积超晶格结构的超硬复合膜，该镀膜机由真空室4、炉门5、工件架6、抽气口7、电源及控制系统等组成。

由图2可知，本发明在真空室4中共设置有内靶1、外靶2，中靶3；

具体地说，在真空室4内靠外壁处，反时针方向依次设置有内一靶1.1、内二靶1.2、内三靶1.3、内四靶1.4，互为90度，呈对称分布；

在真空室4内中心处φ45cm的圆圈上反时针方向依次设置有中一靶3.1、中二靶3.2、中三靶3.3、中四靶3.4，分别与内一靶1.1、内二靶1.2、内三靶1.3、内四靶1.4，相对；由于中靶3与内靶1相对，构成对靶磁场耦合，即靶的外圈磁体极性相反。其结果是置于工件架6上的工件8浸没在中靶3与内靶1耦合的磁场中，提高了等离子体的密度，因而能提高膜的沉积速率和膜的致密度。

在真空室4的外壁上，外一靶2.1设置在内一靶1.1和内二靶1.2中间；外二靶2.2设置在内三靶1.3和内四靶1.4中间。

内一靶1.1的靶材为纯铬，内二靶1.2的靶材为钛铝(TiAl)合金，内三靶1.3的靶材为掺钇的钛铝(TiAlY)合金，内四靶1.4的靶材为钛铝(TiAl)合金；

外靶2的靶材为钛钇(TiY)合金；

中靶3的靶材为高纯石墨。

3、沉积复合膜的步骤

(1)沉积过渡层A

根据工件的材质类别，选择欲镀过渡层的材料，例如，高速钢类金属切削刀具，通常采用氮化钛(TiN)作为过渡层；而硬质合金类刀具，宜采用碳化钛(TiC)作为过渡层。这样可提高附着力和沉积膜与基体材料的匹配性。本发明无论沉积氮化钛(TiN)还是碳化钛(TiC)，都采用钛合金为靶材。在钛靶中加入7at.％的稀土元素钇(Y)，可以使生成的氮化钛(TiN)或碳化钛(TiC)晶粒细化，从而提高钛与基体材料的浸润性和沉积膜与基体的附着力。

利用二套矩形平面的外靶2完成，外靶2的靶材为钛钇(TiY)合金；

氩氮(Ar-N₂)混合气为工作气体，沉积掺钇的氮化钛(TiN)或碳化钛(TiC)过渡层，控制其膜厚0.3-0.5μm。

(2)沉积超硬膜B

利用四套内靶1沉积超硬膜B；其中内二靶1.2、内四靶1.4的靶材为钛铝(TiAl)合金，其化学组成为35Ti-65Al at.％；其中内三靶1.3的靶材为掺钇(Y)的钛铝(TiAlY)合金，其化学组成为48Ti-48Al-4Y at.％；其中内一靶1.1采用纯铬靶材。沉积超硬膜时，四套内靶1同时启动，氩氮(Ar-N₂)混合气为工作气体。当工件8在真空室内旋转一周时，在工件8上依次镀了四层膜，它们依次是TiAlN/TiAlYN/TiAlN/CrN。因其化学成分不同和晶格常数的差异而形成了明显的界面。调控工件8的旋转速度，就可以在一定范围调制每一层沉积膜的厚度。随着工件不断旋转镀膜，将周期性重复沉积上述膜层。如果镀膜时间为2-3小时，沉积膜将叠合几千层上述薄膜，这种结构的薄膜就是超晶格结构超硬膜B，它将出现物理学上的称之为超模量和超硬度效应，超硬膜B将获得组成它的膜层常规显微硬度2-5倍的超高硬度。超硬膜B必须控制它的调制周期的厚度为纳米尺度量级，如果控制该膜每一沉积周期膜厚度为3-8nm，超硬膜B的硬度将出现极大值。控制超硬膜B的总厚度为3-5μm。本发明沉积的这种超硬膜B的显微硬度一般大于40GPa，最高可达58GPa，耐氧化温度高于950℃。

(3)沉积自润滑膜C

在超硬膜的表面再沉积一层低摩擦系数的自润滑膜，可以降低金属切削刀具的切削力，减少模具使用中的磨耗，对于提高刀具和模具的使用寿命具有重大意义。

本发明利用中靶3和内一靶1.1完成。

自润滑膜是一种掺铬(Cr)的类金刚石膜(DLC-Cr)。中靶3的靶材为高纯石墨，内一靶1.1的靶材为纯金属铬。运行时，上述靶同时启动，氩(Ar)为工作气体。调控石墨靶和铬靶的工作电流，使掺铬(Cr)的类金刚石膜(DLC-Cr)中含铬(Cr)的比率为4-8at.％。此时的自润滑膜具有最低摩擦系数和磨损率，它们分别是：μ＝0.05-0.09，Kc＝1.0×10^-17m³/mN；类金刚石膜(DLC-Cr)的显微硬度在20-25GPa范围内。

本发明具有以下优点和积极效果：

①按本发明沉积出的纳米超晶格结构超硬膜B，具有较高的显微硬度和耐氧化性，大大超过了常规的刀具涂层的性能。

②本发明是一套完整的刀具优质涂层镀膜技术，它将起粘附作用的过度层A、主耐磨层B和表面自润滑层C非常完美地结合起来，使这种刀具优质涂层能适应现代制造业对金属切削刀具非常苛刻的技术要求，提高了高档刀具的使用寿命。

③本发明提供的适合产业化生产实际的镀膜方法，具有生产效率高、涂层质量好、生产成本低的特点，对于各种类型的高速钢刀具、硬质合金刀具和陶瓷刀具，以及各种模具都有广泛的应用价值。

附图说明

图1-复合膜的膜系设计示意图；

图2-真空离子镀膜机真空室横截面示意图。

其中：

A-过渡层；

B-纳米超晶格结构超硬膜(TiAlN/TiAlYN/TiAlN/CrN)，简称超硬膜，包括：

B1-氮化钛铝(TiAlN)；

B2-掺钇氮化钛铝(TiAlYN)；

B3-氮化铬(CrN)；

C-自润滑膜。

1-内装磁控溅射靶，简称内靶，包括：

1.1-第一内装磁控溅射靶，简称内一靶，靶材为纯铬；

1.2-第二内装磁控溅射靶，简称内二靶，靶材为TiAl合金；

1.3-第三内装磁控溅射靶，简称内三靶，靶材为TiAlY合金；

1.4-第四内装磁控溅射靶，简称内四靶，靶材为TiAl合金。

2-电弧靶，简称外靶，包括

2.1-第一电弧靶，简称外一靶，靶材为TiY合金；

2.2-第二电弧靶，简称外二靶，靶材为TiY合金。

3-中心磁控溅射靶，简称中靶，包括

3.1-第一中心磁控溅射靶，简称中一靶，靶材为高纯石墨；

3.2-第二中心磁控溅射靶，简称中二靶，靶材为高纯石墨；

3.3-第三中心磁控溅射靶，简称中三靶，靶材为高纯石墨；

3.4-第四中心磁控溅射靶，简称中四靶，靶材为高纯石墨。

4-真空室。

5-炉门。

6-工件架。

7-抽气口。

8-工件。

具体实施方式

1、超硬复合膜的沉积工艺

①工件装炉

将工件8化学清洗干净，经脱水烘干处理后，装到工件架6上，全部操作要保持工件8及工件架6的洁净度。

②抽真空及工件烘烤

工件8安放完毕后，关闭真空室4的炉门5，按真空机组的使用规程，对真空室4抽高真空至3×10^-3Pa，然后开启烘烤加热电源，工件转速4-6圈/分钟，烘烤温度始终控制在350-400℃，烘烤温度达标后进入下步操作。

③辉光离子清洗

通入氩(Ar)气，控制气压为2Pa，开启脉冲偏压电源，将电压慢慢调升至1200V，占空比为80％，工件转速同上，此时工件处于辉光离子清洗中，进一步清除工件表面的沾污物，清洗时间20分钟。

④高能钛离子轰击

减小氩(Ar)气流量使气压降为3×10^-2Pa，工件8转速和偏压电源保持上一步工作参数。开启外靶2，控制靶的弧电流150-160A。电弧蒸发的钛和钇的离子(Ti+，Y+)，以很高的能量轰击工件表面，清除工件表面化学吸附的杂质气体和其它污染物，并使部分Ti+和Y+离子掺入工件基体表面层以下3-5nm，以提高沉积膜的附着力。

⑤沉积TiYN过渡层A

将偏压电源调至200-250V，占空比40-50％，通入Ar-N₂混合气，Ar∶N₂＝1∶8，调控气压为0.5Pa，工件8转速4-6圈/分钟，外靶2的工作参数保持上一步工艺，沉积TiYN过滤层，沉积时间30分钟。

⑥沉积超硬膜B

改变N₂-Ar混合气混合比为Ar∶N₂＝3∶1，工作气压、工件转速和偏压电源工作参数不变。开启真空室4周壁的四套内靶1，除内一靶1.1的溅射功率控制为10KW外，其余内二靶1.2、内三靶1.3、内四靶1.4的溅射功率控制在18KW左右，沉积超硬膜(TiAlN/TiAlYN/TiAlN/CrN)B，同时逐渐降低电弧靶2电流直至关断。根据不同工件8的实际要求，沉积时间控制为2-4小时，膜厚3-5μm。

⑦沉积表面自润滑膜C

逐渐降低氮气流量直至关断，调整氩气流量使真空室气压保持为0.5Pa，工件8转速和偏压电源工作参数不变，开启中靶3，调控溅射功率为15KW，调整内一靶1.1的工作电流为5-8A，沉积DLC-Cr自润滑膜的时间为1-2小时，控制膜厚为1-2μm。

⑧停炉

降低内一靶1.1、中靶3的工作电流直至关断，关断偏压电源，关断烘烤电源，工件旋转继续维持30分钟后，关闭高真空阀，根据操作规程的规定，停真空机组，最后关闭设备电源和冷却水。

2、实验结果

(1)在一台真空镀膜机上，装有二套磁控溅射靶，采用93Ti-7Y合金靶材，沉积出掺钇的TiN薄膜，测试其显微硬度Hv＝21-23GPa，膜层的附着力采用划痕试验法，其临界载荷Lc＞70N。

(2)在一台Hauzer HTC100-4 ABS型设备上，设置二套阴极电弧靶和二套磁控溅射靶，二套电弧靶的靶材为TiAl合金(35Ti-65Al at.％)，二套磁控溅射靶的靶材分别为TiAlY合金(48Ti-48Al-4Y at.％)和纯度为99.8％的铬靶，沉积出的超晶格复合膜为TiAlCrN/TiAlYN，测试其样片的显微硬度Hv＝36GPa，磨损率Kc＝2.5×10^-16m³/mN，在上面沉积DLC-Cr自润滑膜后，磨损率下降为Kc＝1.0×10^-16m³/mN，耐氧化温度＞950℃。

(3)在一台Teer UDP450型真空镀膜上，配置四套直流磁控溅射靶，一套靶的靶材为铬靶，其余三套靶装高纯石墨靶材，沉积掺铬类金刚石膜DLC-Cr，其显微硬度Hv＝20-40GPa，摩擦系数μ＝0.06-0.18，磨损率Kc＝1.0×10^-17-2.0×10^-16m³/mN.

(4)在一台国产CK-1250型镀膜机上，设置三套非平衡磁场磁控溅射靶，一套靶的靶材为钝铬，其余二套装TiAl合金靶材(合金成分50Ti-50Al at％)，沉积出超晶格复合膜TiAlN/CrN，膜厚3-4μm，表面深兰色，平整光亮，其显微硬度48-55GPa。

实验结果表明本发明的超硬复合膜具有极好的性能。