一种低负偏压高能Ar+刻蚀清洗改善AlTiSiN涂层性能的方法

摘要

本发明公开了一种低负偏压高能Ar+刻蚀清洗改善AlTiSiN涂层性能的方法，将多弧离子镀的真空炉抽真空，然后通入Ar气并加热至450℃，开启清洗Ti靶，然后开启阳极靶材，与清洗Ti靶构成正负极牵引电子运动，电子与Ar气碰撞产生Ar+，控制负偏压为‑180V，吸引Ar+对基材表面进行离子轰击，轰击时间为30min；将AlTiSiN复合涂层沉积在处理后的基材上。本发明在低负偏压条件下，仅通过高能Ar离子对基体进行刻蚀清洗，对于AlTiSiN涂层采用本发明的刻蚀清洗工艺可显著提高膜基结合力，改善了涂层抗摩擦磨损性能和切削性能，使得涂层适用于苛刻的高速切削高硬度材料的环境，在刀具及表面防护领域具有重大的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及一种镀膜前对基材表面进行清洗的技术，尤其涉及的是一种低负偏压高能Ar⁺刻蚀清洗改善AlTiSiN涂层性能的方法。

背景技术

硬质涂层在切削刀具上已经得到了越来越广泛的应用。有统计显示，超过85％的硬质合金刀具表面进行涂层处理，并且这种比例在未来几年内还将不断增加。同时，被加工工件以及环保问题对切削加工提出了更高的要求：更快的切削速度、更高的的工件表面质量以及切削过程中使用更少甚至无切削液使用。然而，不做涂层处理仅仅依靠硬质合金刀具本身难以满足以上要求。因此，国内外学者就刀具涂层设计以及涂层刀具切削理论进行了广泛研究。理想的切削刀具涂层不但要求满足高硬度、低摩擦系数和磨损率要求，还需满足在高温条件下具有高韧性、热稳定性和优异的抗高温氧化性能等要求。

刀具涂层材料经历了从第一代简单二元涂层(TiN，TiC)，第二代三元或四元固溶涂层(TiAlN，TiCN，TiAlCN等)，第三代多层或超晶格结构涂层(TiN/TiC/TiN多层，TiN/TiAlN/TiN多层，TiN/AlN超晶格等)直到第四代纳米复合结构涂层(TiSiN，TiAlSiN等)的发展。其中第四代纳米复合结构涂层由nc-TiN或者nc-AlTiN镶嵌在很薄的非晶基体a-Si₃N₄中的一种复合结构涂层，这种涂层具有超高硬度(>40GPa)、高韧性、优异的高温稳定性和热硬性(>1000℃)以及高的抗氧化性，适应于高速加工难加工材料对刀具涂层的高硬度、高韧性、高耐磨性和高温性能的要求。

在切削过程中，涂层刀具经历着力和热载荷的交替变化。因此，刀具涂层除了具有较高的硬度和抗氧化性能之外，还需具有足够的韧性和结合强度以抵抗涂层在切削过程中发生的剥落。研究表明，可通过在基体和涂层之间添加过渡层降低基体与涂层之间的硬度和热膨胀系数差，以提高其结合强度。此外，还可对基体进行表面改性处理如活化、高能离子刻蚀清洗、喷丸处理等以改善涂层与基体的结合强度和性能。对高速钢基材表面进行超声纳米改性(ultrasonic nanocrystalline surface modification，UNSM)可显著提高AlCrN涂层的摩擦性能。如对涂层表面进行Ar⁺轰击，提高表面活性，改善涂层刀具的高速切削性能。再如通过离子源辅助阴极电弧离子镀技术成功制备出(Ti：N)-DLC纳米多层复合涂层。Ar⁺刻蚀技术能有效清洁基体表面的污物并能粗化基体表面表面产生有微观的凹凸不平，以增强涂层与衬底的附着力。

目前的刀具涂层前处理主要是在高的基体负偏压条件下(-800V～-1200V)利用金属Ti或者Cr离子直接对基体进行刻蚀，或者通入氩气，利用Ar⁺与金属离子共同对基体进行清洗。这种清洗的缺点是金属离子易在刀具基体表面形成金属液滴，或者需要较大的清洗负偏压(-800V～-1200V)，增加了对电源的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种低负偏压高能Ar⁺刻蚀清洗改善AlTiSiN涂层性能的方法，依靠高能Ar⁺对刀具基体进行前处理，从而提高AlTiSiN复合涂层刀具的切削寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：

(1)清洗基材

将多弧离子镀的真空炉抽真空，然后通入Ar气并加热至450℃，开启清洗Ti靶，然后开启阳极靶材，与清洗Ti靶构成正负极牵引电子运动，电子与Ar气碰撞产生Ar⁺，控制负偏压为-180V，吸引Ar⁺对基材表面进行离子轰击，轰击时间为30min；

(2)制备功能涂层

将AlTiSiN复合涂层沉积在步骤(1)处理后的基材上。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(1)中，Ar气的纯度为99.999％。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(1)中，Ti靶的电流为40～100A。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(1)中，通入Ar气之前，真空炉抽真空为2.0×10^-4Pa，通入Ar气之后，调节压强为4.0Pa。

作为本发明的优选方式之一，所述步骤(2)中，AlTiSiN复合涂层的沉积过程如下：

基材表面离子轰击结束后，关闭Ti靶，通入N₂气，控制炉内压强为3.5Pa，开启AlTi靶，将靶材电流调至120A，基体偏压设定为-60V，沉积时间120min；关闭AlTi靶，开启AlTiSi靶，将靶材电流调至110A，基体偏压设定为-70V，沉积时间100min。

作为本发明的优选方式之一，所述AlTi靶的靶材摩尔含量比为Al：Ti＝67：33；所述AlTiSi靶靶材摩尔含量比为Al：Ti：Si＝60：30：10。

常规的基体清洗为Ar离子和金属Cr或者Ti离子共同清洗，偏压高达-800V～-1200V，而本发明的优点在于：负偏压低，-180V，Ti靶只用于激发产生Ar离子，不参与清洗。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明在低负偏压条件下，仅通过高能Ar离子对基体进行刻蚀清洗，通过调整不同清洗电流以提高涂层刀具的切削性能，去除表面的附着物，从而降低涂层表面的缺陷和粗糙度，提高涂层的结合强度和切削寿命。对于AlTiSiN涂层采用本发明的刻蚀清洗工艺可显著提高膜基结合力，改善了涂层抗摩擦磨损性能和切削性能，使得涂层适用于苛刻的高速切削高硬度材料的环境，在刀具及表面防护领域具有重大的应用前景。

附图说明

图1是本发明的离子清洗原理图；

图2是不同清洗电流条件下Ar⁺刻蚀后基体的表面形貌和对应的三维形貌图；

图3是基体经不同清洗电流条件下Ar⁺刻蚀后沉积AlTiSiN涂层的洛氏压痕形貌；

图4是基体经不同清洗电流条件下Ar⁺刻蚀后沉积AlTiSiN涂层的切削寿命曲线。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例的真空炉炉腔1内分布有1块用于高能离子清洗的柱形Ti靶材2和6块用于涂层沉积的靶材3。当炉内达到高真空度，开启柱形Ti靶材2，离化出大量Ti离子，同时通入氩气，激发出Ar⁺对基体进行刻蚀清洗，图中4为工件。

当炉内真空度达到2.0×10^-4Pa时，通入纯度为99.999％的Ar气并加热至450℃。开启圆柱形Ti靶作为牵引电弧靶，控制清洗时的电流为40A，激发产生大量电子。开启圆形辅助阳极靶材，与Ti靶构成正负极牵引电子运动。电子与炉内的Ar气碰撞产生高密度的Ar⁺。基材负偏压为-180V，吸引Ar⁺对基材表面进行离子轰击，轰击时间为30min。

AlTiSiN涂层制备方法如下：使用的镀膜靶材分为的AlTi合金靶(靶材摩尔含量比为Al：Ti＝67：33)和AlTiSi合金靶(靶材摩尔含量比为Al：Ti：Si＝60：30：10)。将所有基材均匀有序地安装在转架上，关闭真空室炉门。

在随后的涂层沉积过程分为两个步骤：

第一步：通入流量为500ml/min的N₂气，开启AlTi靶，将靶材电流调至120A，基体偏压设定为-60V，沉积时间120min；第二步，通入流量为500ml/min的N₂气，开启AlTiSi靶，将靶材电流调至110A，基体偏压设定为-70V，沉积时间100min。

将离子刻蚀清洗后的基材和制备后的涂层进行检测。

实施例2

本实施例的高能Ar⁺离子刻蚀过程中控制Ti柱弧清洗电流大小为70A，将离子刻蚀清洗后的基材和制备后的涂层进行检测。

其他实施方式和实施例1相同。

实施例3

本实施例的高能Ar⁺离子刻蚀过程中控制Ti柱弧清洗电流大小为100A，将离子刻蚀清洗后的基材和制备后的涂层进行检测。

其他实施方式和实施例1相同。

各个实施例的涂层的详细清洗及沉积工艺参数见表1。

表1 AlTiSiN涂层的详细清洗及沉积工艺参数

各个实施例的样品制备完成后进行相关的检测，AlTiSiN涂层的检测结果如表2所示。

表2 AlTiSiN涂层的检测结果

图2为经不同清洗电流条件下Ar⁺刻蚀处理后基体的表面SEM和三维形貌图。由图2(a)和(d)可以发现，当清洗电流为40A时，经Ar⁺刻蚀处理后，基体表面仍有附着物存在。当清洗电流增加到70A时，基体表面附着物减少。进一步增加清洗电流至100A，基体表面几乎无附着物存在，且基体表面出现刻蚀的痕迹。可以发现，增加清洗电流，可有效的对基体表面进行刻蚀清洗。本发明利用台阶仪对刻蚀清洗后基体的表面粗糙度进行检测，采用均方根高度(Rootmeansquareheight，Sq)和算数平均偏差(Arithmeticalmeandeviation，Ra)来表征基材的表面粗糙度。图2(d)-(f)为不同清洗电流条件下，离子刻蚀处理后基体的表面三维形貌图。当清洗电流分别为40A，70A和100A时，涂层的表面粗糙度Sq分别为1112nm，759nm和536nm，Ra值分别为705nm，525nm和396nm。可以发现，增加清洗电流，Ar⁺刻蚀强度增大，基体表面粗糙度显著降低。

图3是基体经不同清洗电流条件下Ar⁺刻蚀后AlTiSiN涂层的洛氏压痕形貌。从图3(a)可以发现，当清洗电流为40A时，压痕周围涂层裂纹呈射线状并出现大片剥落。当清洗电流增加到70A时，裂纹数量以及涂层剥落程度均大幅度减少，见图3(b)。而当清洗电流增加到100A时，涂层几乎没有任何剥落。根据结合强度标准可以看出，当清洗电流分别40A、70A和100A时，AlTiSiN涂层与基体的结合强度等级分别为HF3、HF2和HF1。

图4为在切削速度为50m/min时涂层刀具的切削寿命曲线。以后刀面1/2处达到磨钝标准(2mm)，可以发现，不同清洗电流条件下Ar⁺清洗工艺对刀具的寿命影响明显。当清洗电流为40A时，切削长度为11m。清洗电流增加到70A，刀具切削长度增加到18m。而当清洗电流增加到100A时，刀具切削长度进一步增加到23m，其切削寿命相较于清洗电流为40A时提高了约1倍多，这主要归咎于涂层与基体良好的结合强度。结果表明，在低负偏压条件，离子刻蚀清洗工艺电流为100A时，表面粗糙度最低，结合强度最高，涂层刀具的切削寿命最长。因此，在沉积涂层前，采用高能Ar⁺对刀具基体进行刻蚀清洗可显著增其切削寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。