專利名稱：硼化鈦/氮化硅納米多層涂層及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種切削工具技術領域的涂層及其制備方法，特別是一種TiB2/ Si3N4納米多層涂層及其制備方法。
背景技術：
由于其機械加工效率高，環(huán)境污染少，切削速度> 100m/min的高速切削及無冷卻 液的干式切削方式正日益成為切削技術發(fā)展的主流，這些先進的切削技術對刀具涂層的性 能提出了更高的要求。不僅要求刀具涂層硬度高，還需要涂層具有低的摩擦系數(shù)，以及較高 的抗氧化能力?，F(xiàn)有的刀具涂層尚未全面滿足這些要求。如目前工業(yè)上廣泛應用的TiAlN 涂層，雖然涂層的抗氧化溫度可達800°C，但作為高速銑削刀具和螺紋刀具的涂層使用時， 其摩擦系數(shù)偏高。另外，TiAlN涂層約35GPa的硬度也有進一步提高的必要。硼化鈦(TiB2) 是一種具有高硬度和高穩(wěn)定性的化合物，其硬度為35GPa，不但高于各種過渡金屬氮化物的 硬度，而且TiB2的摩擦系數(shù)也低于多數(shù)過渡金屬氮化物，更宜用于需優(yōu)異減磨性能的高速 銑削刀具和螺紋刀具的表面涂層。但是，TiB2涂層的抗氧化溫度不超過750°C，仍不能滿足 高速切削和干式切削對涂層提出的要求。因而目前生產(chǎn)上急需一種高硬度、低摩擦系數(shù)并 兼具高抗氧化溫度的涂層，以滿足高速銑削刀具和螺紋刀具在干式切削工況下的要求。對現(xiàn)有技術進行的檢索發(fā)現(xiàn)為了提高刀具涂層的抗氧化性，已有的專利技術(如美國專利US6565957， US6638571，US5766782和中國專利95108982. X等)采用在TiN等涂層的表面或中間增加 一層或多層0. 1 8 μ m厚度的Al2O3層，使之與氮化物層形成多層結構的涂層。盡管致密 的Al2O3層能顯著提高涂層的抗氧化性，但由于Al2O3的硬度遠低于氮化物，這種氮化物和 Al2O3組成的多層涂層的硬度會明顯降低，從而影響到刀具涂層切削功能的有效發(fā)揮。美國專利US6333099B1也提供了一種具有優(yōu)良抗氧化性能的MeN/Al203納米多層 涂層，該涂層中的過渡族金屬氮化物可以是Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W、Al等元素或者 它們混合物的氮化物，寫作MeN。該納米多層涂層由兩種層厚分別為0. 1 30nm的MeN層 和Al2O3層交替沉積而形成成分周期變化的多層結構。涂層總厚度為0.5 20 μ m。這種涂 層的硬度不低于其組成物MeN和Al2O3單層涂層的硬度。雖然該技術提出的這種MeNAl2O3 納米多層涂層可以用化學氣相沉積方法(CVD)和物理氣相沉積方法(PVD)制備，但并未涉 及具體技術措施和手段。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術存在的上述不足，提供一種TiB2/Si3N4納米多層 涂層及其制備方法。本發(fā)明具有高硬度和高抗氧化性能，不但提高了現(xiàn)有TiB2涂層的硬度， 保持了 TiB2涂層的低摩擦系數(shù)，并使涂層的抗氧化性得到顯著提高。本發(fā)明可作為高速銑 削和螺紋刀具的表面涂層材料。本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的
本發(fā)明的涉及TiB2/Si3N4納米多層涂層是由TiB2和Si3N4兩種材料交替沉積形 成納米量級的多層結構，在多層結構中的每一個雙層結構，Si3N4層的厚度為0. 2 0. 8nm, TiB2層的厚度為2 8nm，納米多層涂層的總厚度為1 4 μ m。所述的Si3N4層為氣相沉積非晶結構；所述的TiB2層模板效應下被強制晶化的六方晶體結構；在所述的TiB2及其(0001)晶體面上形成共格外延生長的超晶格柱狀晶。從而使本發(fā)明的TiB2/Si3N4納米多層涂層能夠獲得40GPa以上的硬度，并同時具 有高達800°C的高溫抗氧化性能。本發(fā)明還涉及TiB2/Si3N4納米多層涂層的制備方法，包括步驟如下①首先將金屬或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理；②然后采用雙靶射頻磁控濺射方法在金屬或陶瓷的基體上交替沉積TiB2層和 Si3N4層，制取TiB2/Si3N4納米多層涂層；③納米多層涂層中的TiB2和Si3N4都采用射頻電源控制的陰極在Ar氣中分別濺 射TiB2和Si3N4化合物靶材的所述的雙靶射頻濺射方法獲得。直至達到足夠厚度(1 4μ m)的TiB2/Si3N4納米多層涂層。所述的雙靶射頻濺射，是通過基體在TiB2和Si3N4靶前交替停留獲得具有成分調 制結構的納米多層涂層，每一層的厚度由濺射靶的功率及基體在靶前的停留時間控制。本發(fā)明TiB2/Si3N4納米多層涂層獲得的硬度高于37GPa，最高硬度達45GPa，明顯 高于其組成物。TiB2/Si3N4納米多層涂層的高硬度在于此納米多層涂層中的Si3N4層形成了 晶體態(tài)，并且TiB2層和Si3N4層具有共格外延生長的結構特征；TiB2/Si3N4納米多層涂層中 的Si3N4層具有優(yōu)異的抗氧化性，由于Si3N4層的加入使得TiB2/Si3N4納米多層涂層的高溫 抗氧化能力得以提高達到800°C。本發(fā)明因此具有明顯的技術進步，本發(fā)明將具有高硬度的晶體態(tài)TiB2和具有優(yōu)良 高溫抗氧化性能的非晶態(tài)Si3N4陶瓷組成納米多層涂層，通過結構優(yōu)化設計，獲得高硬度的 優(yōu)異力學性能，同時發(fā)揮了 TiB2的低摩擦系數(shù)和Si3N4的高溫抗氧化性的特性，這種TiB2/ Si3N4納米多層涂層在高速切削刀具，尤其是銑削刀具和螺紋刀具上具有很大的應用價值。


圖1本發(fā)明TiB2/Si3N4納米多層涂層結構示意圖。圖中Si3N4層 1、TiB2 層 2、基體 3。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明的系統(tǒng)進一步描述本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提 下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述 的實施例。如圖1所示，以下實施例的實施范圍和條件如下第一，TiB2/Si3N4納米多層涂層由Si3N4層1和TiB2層2交替沉積在金屬或陶瓷的 基體3上組成，Si3N4層1的厚度在多項實例中采用范圍在0. 3 0. 8nm, TiB2層2的厚度 在多項實例中采用范圍在為2 8nm，納米多層涂層的總厚度在多項實例中采用范圍控制在為1 4μ m0第二，在多項實例中所采用的制備方法，以如下條件實施①將金屬或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，然后通過在金屬或陶瓷的基體上采用 雙靶射頻濺射方法交替沉積TiB2層2和Si3N4層1，制取TiB2/Si3N4納米多層涂層，②所述的雙靶射頻濺射，其TiB2靶和Si3N4靶分別由獨立的射頻陰極控制。③真空室內背底真空彡ICT3Pa后，向其中通入Ar氣體，Ar的氣壓為0. 3 1. 5Pa。④轉動基片架，使基片分別于TiB2靶和Si3N4靶前接受濺射材料形成納米多層涂 層；納米多層涂層中各調制周期內TiB2層2和Si3N4層1的厚度通過各靶的濺射功率和基 片在各靶前停留的時間控制。實施例1本實施例TiB2/Si3N4納米多層涂層的制備方法的具體工藝參數(shù)為=TiB2和Si3N4 靶均采用075mmX5mm的圓片形靶，各靶由獨立的射頻陰極分別控制，真空室內背底真空 (IO-3Pa.真空室中的Ar氣壓強為0. 3Pa,TiB2靶濺射功率為100W，沉積時間為6秒，Si3N4 靶濺射功率為30W，沉積時間為2秒，基體溫度< 400°C。由此得到的TiB2/Si3N4納米多層 涂層中TiB2層2的厚度為2. Onm, Si3N4層1厚為0. 3nm，涂層的硬度為37GPa。實施例2本實施例TiB2/Si3N4納米多層涂層的制備方法的具體工藝參數(shù)為=TiB2和Si3N4 靶均采用075mmX5mm的圓片形靶，各靶由獨立的射頻陰極分別控制，真空室內背底真空 (10_3Pa，真空室中的Ar氣壓強為0. 5Pa, TiB2靶濺射功率為100W，沉積時間為6秒，Si3N4 靶濺射功率為50W，沉積時間為2秒，基體溫度< 400°C。由此得到的TiB2/Si3N4納米多層 涂層中TiB2層2的厚度為3. Onm, Si3N4層1厚為0. 5nm，涂層的硬度為42GPa。實施例3本實施例TiB2/Si3N4納米多層涂層的制備方法的具體工藝參數(shù)為=TiB2和Si3N4 靶均采用075mmX5mm的圓片形靶，各靶由獨立的射頻陰極分別控制，真空室內背底真空 (10_3Pa，真空室中的Ar氣壓強為0. 7Pa，TiB2靶濺射功率為100W，沉積時間為12秒，Si3N4 靶濺射功率為50W，沉積時間為2秒，基體溫度< 400°C。由此得到的TiB2/Si3N4納米多層 涂層中TiB2層2的厚度為4. Onm, Si3N4層1厚為0. 5nm，涂層的硬度為45GPa。實施例4本實施例TiB2/Si3N4納米多層涂層的制備方法的具體工藝參數(shù)為=TiB2和Si3N4 靶均采用075mmX5mm的圓片形靶，各靶由獨立的射頻陰極分別控制，真空室內背底真空 (10_3Pa，真空室中的Ar氣壓強為1. OPa，TiB2靶濺射功率為150W，沉積時間為16秒，Si3N4 靶濺射功率為50W，沉積時間為2秒，基體溫度< 400°C。由此得到的TiB2/Si3N4納米多層 涂層中TiB2層2的厚度為8. Onm, Si3N4層1厚為0. 5nm，涂層的硬度為40GPa。實施例5本實施例TiB2/Si3N4納米多層涂層的制備方法的具體工藝參數(shù)為=TiB2和Si3N4 靶均采用075mmX5mm的圓片形靶，各靶由獨立的射頻陰極分別控制，真空室內背底真空 彡10_3Pa，真空室中的Ar氣壓強為1. 5Pa，TiB2靶濺射功率為150W，沉積時間為16秒，Si3N4 靶濺射功率為80W，沉積時間為3秒，基體溫度< 400°C。由此得到的TiB2/Si3N4納米多層 涂層中TiB2層2的厚度為6. Onm, Si3N4層1厚為0. 8nm，涂層的硬度為38GPa。
權利要求
一種TiB2/Si3N4納米多層涂層，其特征在于，由TiB2和Si3N4兩種材料交替沉積形成納米量級的多層結構，在多層結構中的每一個雙層結構，Si3N4層的厚度為0.2～0.8nm，TiB2層的厚度為2～8nm，納米多層涂層的總厚度為1～4μm。
2.根據(jù)權利要求1所述的TiB2/Si3N4納米多層涂層，其特征是，所述的Si3N4層為氣相 沉積非晶結構。
3.根據(jù)權利要求1所述的TiB2/Si3N4納米多層涂層，其特征是，所述的TiB2層模板效 應下被強制晶化的六方晶體結構。
4.根據(jù)權利要求1所述的TiB2/Si3N4納米多層涂層，其特征是，在所述的TiB2及其 (0001)晶體面上形成共格外延生長的超晶格柱狀晶。
5.一種TiB2/Si3N4納米多層涂層的制備方法，其特征在于，包括步驟如下①首先將金屬或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理；②然后采用雙靶射頻磁控濺射方法在金屬或陶瓷的基體上交替沉積TiB2層和Si3N4 層，制取TiB2/Si3N4納米多層涂層；③納米多層涂層中的TiB2和Si3N4都采用射頻電源控制的陰極在Ar氣中分別濺射 TiB2和Si3N4化合物靶材的雙靶射頻濺射方法，直至TiB2/Si3N4納米多層涂層達到厚度1 4 μ m0
6.根據(jù)權利要求5所述的TiB2/Si3N4納米多層涂層的制備方法，其特征是，所述的雙靶 射頻濺射，是通過基體在TiB2和Si3N4靶前交替停留獲得具有成分調制結構的納米多層涂 層，每一層的厚度由濺射靶的功率及基體在靶前的停留時間控制。
7.根據(jù)權利要求5或者6所述的TiB2/Si3N4納米多層涂層的制備方法，其特征是，所述 的雙靶射頻濺射，真空室內背底真空彡10_3Pa后，向其中通入Ar氣體，Ar的氣壓為0. 3 1. 5Pa，基體溫度< 400 0C ο
8.根據(jù)權利要求6所述的TiB2/Si3N4納米多層涂層的制備方法，其特征是，所述的雙靶 射頻濺射，TiB2靶濺射功率為100-150W，沉積時間為6-16秒。
9.根據(jù)權利要求6所述的TiB2/Si3N4納米多層涂層的制備方法，其特征是，所述的雙靶 射頻濺射，Si3N4靶濺射功率為30-80W，沉積時間為2-3秒。
全文摘要
一種切削工具技術領域的硼化鈦/氮化硅納米多層涂層及其制備方法，納米多層涂層由TiB2和Si3N4兩種材料交替沉積形成納米量級的多層結構，在多層結構中的每一個雙層結構，TiB2層的厚度為2～8nm，Si3N4層厚為0.2～0.8nm。制備方法如下首先將金屬或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，然后通過在金屬或陶瓷的基體上采用在Ar氣氛中雙靶射頻濺射方法交替沉積TiB2層和Si3N4層，制取TiB2/Si3N4納米多層涂層，其中TiB2采用TiB2靶直接濺射得到，而Si3N4采用直接濺射Si3N4化合物靶材提供。本發(fā)明所得的TiB2/Si3N4納米多層涂層不但具有優(yōu)良的高溫抗氧化性，而且具有高于37GPa，最高達到45GPa的硬度。本發(fā)明作為高速切削刀具尤其是高速切削的銑削刀具和螺紋刀具的表面涂層。
文檔編號C23C14/34GK101886242SQ20101023772
公開日2010年11月17日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權日2010年7月27日
發(fā)明者張晶晶, 李戈揚, 李玉閣, 祝新發(fā), 許輝 申請人:上海工具廠有限公司;上海交通大學