SiCN/TiCN多层膜刀具涂层及其制备方法

摘要

本发明公开了一种SiCN/TiCN多层膜刀具涂层及其制备方法。本发明所述的SiCN/TiCN多层膜刀具涂层由SiCN和TiCN交替沉积制备，涂层最外层为SiCN层，最内层为TiCN。这种多层膜涂层充分结合了SiCN和TiCN薄膜的优点，实现了一种涂层多功能化，即具备低摩擦、高硬度和抗氧化等特点，同时可显著降低刀具表面粗糙度。本发明采用气相沉积法获得SiCN/TiCN多层膜刀具涂层，制备工艺相对简单，适合产业化生产，所制备的涂层性能稳定，可用于不同类型的切削刀具。

说明书

技术领域

本发明属于机械切削刀具制造技术领域，特别涉及一种SiCN/TiCN多层膜刀具涂 层及其制备方法。

背景技术

在金属刀具表面沉积硬质涂层可以提高刀具的使用性能，降低加工成本，提高加 工效率和质量，延长刀具使用寿命。目前常见的刀具涂层采用TiN、TiCN、TiAlN、CrN 和DLC等，包括它们的单层或多层复合结构涂层。随着现代加工技术的发展，特别是 高速高精度数控机床加工向以车代磨、以铣代磨、以钻代铰的方向发展，对刀具涂层 在切削性能、硬度、抗氧化性能和表面光洁度等方面提出了更高的要求。

SiCN薄膜是在碳氮二元薄膜基础上发展起来的一种三元薄膜，研究表明SiCN薄 膜具有很高的硬度。采用磁控溅射制备的SiCN薄膜硬度可达到30GPa[S.L.Ma，B. Xu，G.Z.Wu，et al.，Surf.Coat.Technol.202(2008)5379-5382.]，甚至达到 40GPa[J.M.Kormunda，J.et a].，Diamond Relat.Mater.12(2003) 1287-1294]。SiCN薄膜的另一大优点是可以得到相对光滑的表面，通过选择合适工 艺和优化参数可以得到很低的表面粗糙度。J.等采用直流磁控溅射技术制备了 1.0-1.5μm厚的SiCN薄膜，其表面粗糙度小于0.8nm[J.M.Kormunda，J. et al.，Surf.Coat.Technol.160(2002)74-81]，高鹏等人采用微波电 子磁旋共振技术在Si(100)/Al₂O₃表面制备了厚度约为1.8nm的SiCN薄膜，测得薄膜 的表面粗糙度仅为0.094nm[Gao Peng，Xu Jun，Ding Wanyu，et al.，Chin.Phys. Lett.26(2009)065203.]。SiCN薄膜的摩擦系数在一定范围内可调，碳含量较高时， 摩擦系数较低。因硅和氮元素的存在，SiCN薄膜具有良好的耐高温氧化性能。

SiCN涂层脆性较大，并且厚度增加后内应力也随之提高，因此如果作为刀具单一 涂层使用必然存在弱点。将两种或两种以上不同材料相互交替沉积形成的多层涂层结 构，可以实现不同材料性能优势互补，提高涂层的综合性能；也可以改善涂层结构， 实现单一涂层难以达到的特殊性能，能满足一些特殊应用的需求。TiCN涂层是在TiN 和TiC基础上发展起来的一种刀具涂层，它具有较高的硬度与耐磨性，通过调制C、N 和Ti的成分，可以降低涂层内应力，提高韧性，阻止裂纹扩展，减少崩刃。因此将 SiCN涂层和TiCN涂层结合使用，可以优势互补，克服单一涂层的缺点。

发明内容

针对上述问题，本发明旨在提供一种具有低摩擦、高硬度、抗氧化和表面光洁度 良好的SiCN/TiCN多层膜刀具涂层及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种SiCN/TiCN多层膜刀具涂层， 其特征是：在刀具基体的基础上，依次交替沉积TiCN层和SiCN层，紧贴刀具基体的 是TiCN层，最外层是SiCN层。

每一TiCN层和SiCN层的厚度可根据具体要求确定。

TiCN层和SiCN层交替沉积的次数可根据具体要求确定。

SiCN和TiCN中，各元素百分含量也可根据需要调整。

选择的刀具基体为硬质合金材料。

一种制备SiCN/TiCN多层膜刀具涂层的方法，包括以下步骤：

a.预处理：对刀具基体进行清洗，去除表面的油污及其他附着物，吹干后放入镀 膜机中，抽真空至预先设定的真空度。

b.溅射清洗：用离子清洗刀具基体表面。

c.沉积TiCN层：利用气相沉积方法沉积TiCN层，通过控制沉积参数控制TiCN 层厚度。

d.沉积SiCN层：利用气相沉积方法沉积SiCN层，通过控制沉积参数控制SiCN层 厚度。

e.重复c、d步骤，最外层为SiCN层。

f.后处理：根据需要对沉积的涂层进行原位退火或在一定真空度下自然冷却至室 温。

g.关闭真空设备，涂层沉积完成。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明以SiCN和TiCN为涂 层主要组分，SiCN和TiCN交替沉积镀层。在刀具基体的基础上，紧贴基体的镀层为 TiCN，在TiCN基础上镀层SiCN，以后依次按TiCN和SiCN交替沉积，最外层为SiCN。 本发明沉积出的多层涂层综合特性好。2、本发明多层刀具涂层充分结合了SiCN和 TiCN薄膜各自的特点，TiCN层作为最内层，可以提高涂层与刀具基体的结合力。SiCN 薄膜具有低摩擦、高硬度、抗氧化和高表面光洁度等优点。本发明将两种薄膜结合起 来应用，会大大提高涂层刀具切削质量和使用寿命。3、本发明还提供了一种工艺相对 简单、适合产业化生产的实际涂层方法，具有涂层性能稳定的特点，对于各种类型的 切削刀具有广泛的应用价值。并且这种涂层制备方法具有很强的灵活性，涂层各参数 (包括成分种类和含量，膜层厚度，交替沉积次数等)可以方便调节。4、本发明通过气 相沉积技术在刀具表面沉积SiCN和TiCN组成的多层复合结构涂层，从而有助于获得 低摩擦、高硬度、耐氧化和高表面光洁度等特点。

附图说明

附图1是本发明的SiCN/TiCN多层刀具涂层的涂层结构示意图；其中，1-刀具基 体，2-TiCN层，3-SiCN层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和实施例对本发明作进一步描述。

参照附图1，本发明SiCN/TiCN多层膜刀具涂层选择硬质合金刀具为基体，在刀 具基体1的基础上，先沉积一层TiCN层2，然后再沉积一层SiCN层3，以后依次是交 替沉积TiCN层2和SiCN层3，形成多层结构，最外层是SiCN层3。

定义每相邻单层TiCN和单层SiCN厚度之和为多层膜涂层的调制周期；定义每单 层TiCN和单层SiCN厚度之比为多层膜涂层的调制比。调制周期和调制比都可变，调 制周期既可以是单周期，也可以是多周期，调制周期和调制比的数值可根据对涂层性 能的要求进行调节。SiCN/TiCN涂层的总厚度可根据具体要求和具体的沉积设备确定。 为保证基体材料与涂层的结合强度，SiCN/TiCN涂层最内层为TiCN层，然后再沉积 SiCN，随后交替进行沉积。

SiCN和TiCN中，各元素百分含量也可根据需要调整。

制备SiCN/TiCN多层膜刀具涂层的方法大体经过预处理、溅射清洗、交替沉积TiCN 和SiCN的过程，一个SiCN/TiCN多层膜刀具涂层的制备实施例为：

a.预处理：将刀具基体依次用去离子水，酒精和丙酮中分别超声清洗20分钟，去 除表面的油污及其他附着物，用电吹风吹干后迅速放入离子束辅助沉积镀膜设备中， 抽真空至4.0×10^-4Pa(预设值)，本实施例所用离子束辅助沉积镀膜设备包括2个溅 射离子源(考夫曼离子源)和1个辅助离子源(考夫曼离子源)；

b.溅射清洗：利用Ar为工作气体，用辅助离子源产生的Ar离子清洗刀具基体表 面(辅助离子源的屏极电压为800eV，束流为60mA，轰击时间为20min)；

c.沉积TiCN层：利用Ar为溅射离子源的工作气体，其中一个溅射源发出Ar离子 轰击纯Ti靶，另一个溅射源发出Ar离子轰击纯石墨靶，辅助离子源发出N离子轰击 刀具表面，在刀具基体表面沉积TiCN层(溅射离子源的屏极电压为2500eV，束流为 70mA；辅助离子源的屏极电压为300eV，束流为35mA；沉积时间为10min)，TiCN层的 厚度通过溅射离子源的参数控制；

d.沉积SiCN层：利用Ar为溅射离子源的工作气体，其中一个溅射源发出Ar离子 轰击纯Si靶，另一个溅射源发出Ar离子轰击纯石墨靶，辅助离子源发出N离子轰击 刀具表面，在刀具基体表面沉积SiCN层(溅射离子源的屏极电压为2500eV，束流为 70mA；辅助离子源的屏极电压为300eV，束流为35mA；沉积时间为30min)，SiCN层的 厚度通过溅射离子源的参数控制；

e.重复c、d步骤7次，确保最外层为SiCN层；

f.保持真空，可根据需要对沉积的涂层进行原位退火或在一定真空度下自然冷却 至室温；

g.关闭真空设备，涂层沉积完成，取出成品。

本实施例沉积出的SiCN/TiCN涂层为非晶-纳米晶结构，SiCN层中硅主要以Si-N 键存在，碳主要以sp²键形式存在，同时存在部分sp³键。TiCN层含有氮化钛(TiN)和 碳化钛(TiC)等化合物以及金属钛等。该涂层纳米硬度大于20GPa。涂层表面粗糙度Ra 为290nm，比原始刀具的表面粗糙度降低了约70nm。上述参数情况下的整个涂层的厚 度为1.2μm。但是上述实施例仅用于说明本发明，凡是在本发明技术方案的基础上进 行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

本发明在硬质合金刀具表面采用气相沉积方法制得的SiCN/TiCN多层膜刀具涂 层，充分结合了SiCN和TiCN薄膜的优点，实现了一种涂层多功能化，即具备低摩擦、 高硬度和抗氧化等特点，同时显著降低了刀具表面粗糙度。将这类薄膜沉积在各种金 属切削刀具上，特别适合有色金属的切削加工。