多弧离子镀钛铝铬硅钇氮化物多组元超硬反应膜的制备方法

摘要

一种多弧离子镀钛铝铬硅钇氮化物多组元超硬反应膜的制备方法，依次包括1.沉积技术的确定及靶材成分的设计；2.合金靶的制备；3.工件试样的选择与前处理；4.电弧源数量的确定；5.沉积工艺的确定；6.过渡层的获得；7.真空加热处理；8.工件试样旋转。该方法确定了Ti－Al－Cr－Si－Y多元合金靶中Ti、Al、Cr、Si、Y等元素的成分变化范围，使制备的钛铝铬硅钇氮化物(TiAlCrSiY)N超硬膜具有附着力强(≥180N)、硬度高(≥HV3200)等特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多组元超硬反应膜的制备方法，特别是多弧离子镀多组元超硬反应膜的制备方法，比如钛铝铬硅钇氮化物超硬反应膜的制备方法，为叙述方便，下文中用(TiAlCrSiY)N来表述钛铝铬硅钇氮化物。

背景技术

多弧离子镀是一种设有多个可同时蒸发的阴极弧蒸发源的真空物理沉积技术，具有沉积速度快、膜层组织致密、附着力强、均匀性好等显著特点。该技术适用于超硬膜的制备，并在TiN，(Ti，Al)N超硬膜的制备方面获得成功的应用。(Ti，Al)N，(Ti，Cr)N，(Ti，Zr)N等超硬复合膜由于硬度高、摩擦系数小、耐热性强等各自特性而比TiN膜更具有开发应用前景。研究和开发多元超硬反应膜以期更进一步改善膜的综合使用性能已成为该领域的热点。

目前，采用多弧离子镀技术制备(TiAlCrSiY)N多组元超硬反应膜的主要困难在于三个方面：其一，单元素金属靶的组合控制及膜层的成分控制，其二，膜与工件试样的附着力，其三，膜的硬度。

利用多弧离子镀制备多元膜层，采用的一种简单方法是同时使用几种不同元素的纯单质靶。在实际沉积过程中，可以采用平行放置、上下放置及交替放置等方式。采用单元素靶多靶共用方法，可以通过分别调整各个靶的弧电流来控制各元素的蒸发速率，以达到控制膜成分的目的。在制备(TiAlZr)N、(Ti，Al，Cr)N(Ti，Zr，Cr)N硬质膜时，通常使用纯的单元素靶(比如，纯Ti，纯Al，纯Cr，纯Zr靶)进行镀膜组合及控制。

但是，无论如何控制起弧电流，无论采用哪一种工件放置方式，实际上，都难以保证真正的成分均匀分布。对于多个(3个及以上)组元的沉积，控制起来会更加困难，同时有些元素也难以加工成靶材。此外，由于多个弧源同时工作，容易导致工件试样升温过快，引起膜内应力增大，附着力迅速下降。

对于Ti-Al-Cr合金靶材而言，由于元素之间可以形成固溶体或金属间化合物，因此对各元素的相对含量尚未有明确限定，而不同的成分配比往往导致超硬反应膜的沉积工艺、附着力、硬度、耐磨性等的差别，严重影响(TiAlCr)N多组元超硬反应膜的性能，特别是影响膜的硬度和附着力，有时甚至硬度可以低至HV1800-HV2000，而附着力低至50N以下。这些严重阻碍了(TiAlCr)N作为超硬多元膜在刀具、机械加工等行业的应用。

而超硬反应膜与高速钢基体的附着力较差是一个普遍的问题，尽管在高速钢基体上采用多弧离子镀技术制备的多组元超硬反应膜，附着力一般能够达到30-70N，仍难以满足作为刀具耐磨膜的需要。

作为超硬反应膜，硬度无疑是一项重要指标。通常采用单元素靶多靶共用方法获得的(TiAlCr)N膜硬度可以在HV2000-2800之间，不仅硬度指标偏低，同时波动范围较大，难以保证稳定性和可重复性。

综上所述，现有的(TiAlCrSiY)N多组元超硬反应膜的制备技术方法存在下列缺陷：单元素金属靶组合使用的难于控制导致的成分分布不均匀、质量不稳定；附着力较差；膜的硬度偏低且不稳定。

发明内容

本发明是提供一种多弧离子镀钛铝铬硅钇氮化物多组元超硬反应膜的制备方法。该方法确定了Ti-Al-Cr-Si-Y多元合金靶中Ti、Al、Cr、Si、Y等元素的成分变化范围，使制备的钛铝铬硅钇氮化物(TiAlCrSiY)N超硬膜具有附着力强(≥180N)、硬度高(≥HV3200)等特点。

本发明的技术方案是：本发明提供的多弧离子镀钛铝铬硅钇氮化物多组元超硬反应膜的制备方法依次包括：

1、沉积技术的确定及靶材成分的设计：确定多弧离子镀作为(TiAlCrSiY)N超硬膜的制备技术、采用Ti-Al-Cr-Si-Y多组元合金作为阴极靶材，其合金成分为：Al质量百分比为23～32％、Cr质量百分比为6.5～10％，并且Al和Cr的质量百分比之和在33％～38.5％之间，Si质量百分比为0.15～0.25％，Y质量百分比为0.1～0.2％，Ti的质量百分比为61～67％。

2、合金靶的制备：采用高纯海绵钛(99.99％)、高纯铝(99.99％)和高纯铬(99.99％)进行三次真空熔炼，得到合金锭，然后按照多弧离子镀设备所要求的靶材尺寸加工成阴极靶。

3、工件试样的选择与前处理：选择商用高速钢作为工件试样材料，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对工件试样进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，最后分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干以备用。

4、电弧源数量的确定：选用两个不同方位且成90度配置的弧源同时起弧沉积。

5、沉积工艺的确定：即为获得多弧离子镀(TiAlCrSiY)N超硬膜而采取的镀膜工艺，当镀膜室背底真空达到10^-3Pa、温度达到260～300℃时冲入反应气体N₂，镀膜室真空度达到(1.8～2.5)×10^-1Pa，开启弧源，进行离子轰击清洗10分钟，轰击偏压从400V逐渐降低到250V，然后进行(TiAlCrSiY)N超硬膜沉积，镀膜工艺参数为偏压为150V、氮气压力为(1.8～2.5)×10^-1Pa、弧电流保持在60～65A、沉积时间50～70分钟，然后进行镀后处理。

6、过渡层的获得：在沉积之前进行10分钟离子轰击，获得一个具有过渡成分的薄层，过渡层厚度为0.2～0.3微米。

7、真空加热处理：包括工件试样加热和膜层烘烤，加热方式采用电热体烘烤加热，在工件试样加热时，升温速度为3～5℃/分钟，加热时间为50～70分钟，然后达到280～300℃；沉积过程结束后，采用小电流、微加热，对所沉积的(TiAlCrSiY)N超硬膜进行烘烤15分钟，使真空室缓慢降温，2小时后取出镀膜样品。

8、工件试样旋转：在工件试样加热、离子轰击、膜层沉积、膜层加热的整个过程中一直保持工件试样旋转，转速为4～6转/分钟。

本发明确定了多弧离子镀作为(TiAlCrSiY)N超硬膜的制备技术，确定了Ti-Al-Cr-Si-Y多组元合金阴极靶材的合金成分含量，避免了采用单元素靶多靶共用方法分别控制纯Ti靶、纯Al靶，纯Cr靶所带来的工艺困难，特别是克服了Si，Y两元素的添加和控制的困难。本发明确定了商用高速钢(例如W18Cr4V)作为工件试样材料，并确定了工件试样前处理工艺，从而明确了镀膜工件试样材料并为膜层与工件试样的良好附着性能提供实现的可能；确定了电弧源的数量及配置方位，从而实现超硬膜成分分布均匀、质量稳定，同时，避免了工件试样升温过快所引起的膜层内应力过大，保证了良好的附着力。本发明确定了(TiAlCrSiY)N超硬膜的沉积工艺，从而保证了超硬膜的成分、质量、可重复性，保证了较高的膜层硬度。

具体实施方式：

实施例1：在W18Cr4V高速钢上采用多弧离子镀技术制备钛铝铬硅钇氮化物多组元超硬反应膜，其制备方法是：

1、沉积技术的确定及靶材成分的设计：确定多弧离子镀作为(TiAlCrSiY)N超硬膜的制备技术、采用Ti-Al-Cr-Si-Y多组元合金作为阴极靶材，其合金成分为：Al质量百分比为23.1％、Cr质量百分比为10％，Si质量百分比为0.15％，Y质量百分比为0.2％，Ti的质量百分比为66.55％。

2、合金靶的制备：采用高纯海绵钛(99.99％)、高纯铝(99.99％)和高纯铬(99.99％)进行三次真空熔炼，得到合金锭，其成分为Ti-23.1Al-10Cr-0.15Si-0.2Y(wt％)，然后按照多弧离子镀设备所要求的靶材尺寸加工成阴极靶。

3、工件试样的选择与前处理：选择W18Cr4V高速钢材料做成厚度为5mm、直径为30mm的圆片作为工件试样，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对工件试样进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，最后分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干以备用。

4、电弧源数量的确定：选用两个不同方位且成90度配置的弧源同时起弧沉积。

5、沉积工艺的确定：即为获得多弧离子镀(TiAlCrSiY)N超硬膜而采取的镀膜工艺，当镀膜室背底真空达到8×10^-3Pa、温度达到280℃时冲入反应气体N₂，镀膜室真空度达到2.0×10^-1Pa，开启弧源，进行离子轰击清洗10分钟，轰击偏压从400V逐渐降低到250V，然后进行(TiAlCrSiY)N超硬膜沉积，镀膜工艺参数为偏压为150V、氮气压力为2.0×10^-1Pa、弧电流保持在60～62A、沉积时间60分钟，然后进行镀后处理。

6、过渡层的获得：在沉积之前进行10分钟离子轰击，获得一个具有过渡成分的薄层，过渡层厚度为0.2～0.3微米，这对于提高膜层与工件试样的附着强度十分重要。

7、真空加热处理：包括工件试样加热和膜层烘烤，在工件试样加热时，升温速度为4～5℃/分钟，加热时间为60分钟，温度达到280℃；沉积过程结束后，采用小电流、微加热，对所沉积的(TiAlCrSiY)N超硬膜进行烘烤15分钟，使真空室缓慢降温，2小时后取出镀膜样品。

8、工件试样旋转：在工件试样加热、离子轰击、膜层沉积、膜层加热的整个过程中一直保持工件试样旋转，转速为4转/分钟。

对使用上述方法制备的镀膜样品进行测试，其膜层厚度为4微米，附着强度为190N，硬度为HV3400。

实施例2：在W18Cr4V高速钢上采用多弧离子镀技术制备钛铝铬硅钇氮化物多组元超硬反应膜，其制备方法是：

1、沉积技术的确定及靶材成分的设计：确定多弧离子镀作为(TiAlCrSiY)N超硬膜的制备技术、采用Ti-Al-Cr-Si-Y多组元合金作为阴极靶材，其合金成分为：Al质量百分比为31.4％、Cr质量百分比为6.7％，Si质量百分比为0.25％，Y质量百分比为0.1％，Ti的质量百分比为61.55％。

2、合金靶的制备：采用高纯海绵钛(99.99％)、高纯铝(99.99％)和高纯铬(99.99％)进行三次真空熔炼，得到合金锭，其成分为Ti-31.4Al-6.7Cr-0.25Si-0.1Y(wt％)，然后按照多弧离子镀设备所要求的靶材尺寸加工成阴极靶。

3、工件试样的选择与前处理：选择W18Cr4V高速钢材料做成厚度为5mm、直径为30mm的圆片作为工件试样，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对工件试样进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，最后分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干以备用。

4、电弧源数量的确定：选用两个不同方位且成90度配置的弧源同时起弧沉积。

5、沉积工艺的确定：即为获得多弧离子镀(TiAlCrSiY)N超硬膜而采取的镀膜工艺，当镀膜室背底真空达到8×10^-3Pa、温度达到280℃时冲入反应气体N₂，镀膜室真空度达到2.0×10^-1Pa，开启弧源，进行离子轰击清洗10分钟，轰击偏压从400V逐渐降低到250V，然后进行(TiAlCrSiY)N超硬膜沉积，镀膜工艺参数为偏压为150V、氮气压力为2.0×10^-1Pa、弧电流保持在62～65A、沉积时间60分钟，然后进行镀后处理。

6、过渡层的获得：在沉积之前进行10分钟离子轰击，获得一个具有过渡成分的薄层，过渡层厚度为0.2～0.3微米，这对于提高膜层与工件试样的附着强度十分重要。

7、真空加热处理：包括工件试样加热和膜层烘烤，在工件试样加热时，升温速度为4～5℃/分钟，加热时间为60分钟，温度达到280℃；沉积过程结束后，采用小电流、微加热，对所沉积的(TiAlCrSiY)N超硬膜进行烘烤15分钟，使真空室缓慢降温，2小时后取出镀膜样品。

8、工件试样旋转：在工件试样加热、离子轰击、膜层沉积、膜层加热的整个过程中一直保持工件试样旋转，转速为4转/分钟。

对使用上述方法制备的镀膜样品进行测试，其膜层厚度为4.2微米，附着强度为185N，硬度为HV3500。