本發(fā)明涉及表面改性工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可適用于切削刀具的刀具涂層和其他領(lǐng)域的保護性涂層的具有超高硬度的si摻雜納米復(fù)合涂層的制備工藝。
背景技術(shù)：
切削刀具不僅需要有很高的硬度和耐磨性，而且需要有較好的抗彎強度和沖擊韌性。這兩方面的性能相互矛盾，難以兼顧。刀具涂層技術(shù)是近幾十年應(yīng)市場需求發(fā)展起來的材料表面改性技術(shù)，采用涂層技術(shù)可以有效解決刀具材料的硬度、耐磨性和抗彎強度、沖擊韌性之間的矛盾，有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良的綜合機械性能，從而大幅度提高機械加工效率。
涂層材料被涂覆在刀具基體上并與之相結(jié)合，刀具的耐磨性和切削性能被提高的同時，基體本身的韌性不會被降低，從而降低工件與刀具之間的摩擦系數(shù)，延長了刀具的工作壽命。刀具涂層另外一項顯著的作用就是隔熱，由于大多數(shù)涂層自身的熱傳導(dǎo)系數(shù)比被加工部件和刀具基體都要低的多，導(dǎo)致加工中產(chǎn)生的熱量沖擊散失途徑改變，形成熱屏蔽，有效地保護刀具基體，改善其使用效率。
然而，隨著切削技術(shù)向高速切削和干式切削方向發(fā)展，傳統(tǒng)的涂層，如tin、crn甚至tialn涂層已逐漸不能滿足苛刻的性能要求。隨著表面科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，將傳統(tǒng)tin、tialn等涂層摻入si元素可使涂層形成具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的新型涂層，納米復(fù)合涂層技術(shù)是近年來迅速發(fā)展的涂層新技術(shù)，其涂層材料的晶粒度一般都在100nm以下，具有超高的硬度和良好的綜合性能。比如，在tialn中加入si元素形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的tialsin涂層，其硬度可以達到40gpa以上，并且其抗高溫氧化性較tialn涂層有明顯提高。tialsin是目前先進的保護性涂層材料，自出現(xiàn)就成了國內(nèi)外研究的熱點，世界上許多企業(yè)也積極進行工業(yè)應(yīng)用，其最主要的特點就是超高硬度和良好的耐溫性能。
目前，通過查詢文獻可知tialsin涂層已經(jīng)通過不同的沉積方法成功制得。通過查新檢索到如下制備tialsin涂層有關(guān)的專利：
申請?zhí)枮?01510237876.2的專利公開了一種tialsin超硬梯度涂層的制備方法，包括一個對工件表面進行噴砂和清洗的步驟，一個采用陰極離子鍍工藝對工件鍍制tialsin超硬梯度涂層的步驟，包括六個階段，第一階段制備ti打底涂層；第二階段制備tin梯度涂層，第三階段制備tial梯度涂層，第四階段制備tialn梯度涂層，第五階段制備sin梯度涂層，第六階段制備tisin梯度涂層，最后對涂層表面進行拋光處理。通過本發(fā)明的方法制備的tialsin梯度涂層的彈性模量可達340gpa，耐高溫氧化溫度可達1200℃。
申請?zhí)枮?01110439124.6的專利公開了一種tialsin-dlc復(fù)合薄膜，包括附著于金屬基體表面的tialsin層，附著于tialsin層上的c摻雜的tialsin層，和附著于c摻雜的tialsin層上的dlc層；所述tialsin層的厚度為0.8μm～2μm，所述c摻雜的tialsin層的厚度為0.3μm～1μm，所述dlc層的厚度為1μm～2.5μm。本發(fā)明金屬基體與膜層、膜層內(nèi)部之間成分及微結(jié)構(gòu)的平滑過渡，無明顯物理界面，實現(xiàn)了tialsin層與dlc層之間的“無界面”結(jié)合，保證了復(fù)合薄膜兼具良好的抗高溫氧化性能及自潤滑耐磨減摩性能。
申請?zhí)枮?01210139265.0的專利公開了一種耐磨損和抗氧化的納米復(fù)合tialsin超硬涂層的制備方法，將基體預(yù)處理后放入電弧與磁控濺射復(fù)合鍍膜設(shè)備中，以柱弧ti靶作為ti源，通過柱弧電源電流控制柱弧ti靶的濺射率；以平面si靶、al靶作為相應(yīng)元素的來源，平面si靶和al靶以對靶的方式安置在爐體內(nèi)壁上，通過調(diào)整中頻脈沖電源的功率控制靶的濺射率；采用高純ar作為主要離化氣體，保證有效的輝光放電過程；采用高純n2作為反應(yīng)氣體，使其離化并與ti、si、al元素結(jié)合，在基體表面沉積形成tialsin涂層，所制備的tialsin涂層厚度為3.5微米，涂層顯微硬度40gpa，摩擦系數(shù)約為0.7，tialsin涂層抗氧化溫度可以達到1000℃，具有優(yōu)良的抗氧化性能和耐磨損性能。
申請?zhí)枮?01510808060.0的專利公開了一種超硬納微米多層復(fù)合涂層及其制備方法，該超硬納微米多層復(fù)合涂層由tialsin層、ticn層、tin層構(gòu)成，其涂層結(jié)構(gòu)由里到外依次為tin層、ticn層、tialsin層，該涂層的制備方法為物理氣相沉積，各層涂層結(jié)構(gòu)均為納微米復(fù)合結(jié)構(gòu)，本發(fā)明制備的tialsin/ticn/tin多層涂層厚度為2.5～3.5um，具有高的硬度、耐磨性及抗高溫氧化性，其過渡層結(jié)構(gòu)提高了涂層與基體的結(jié)合力，減少了涂層生長的本征應(yīng)力及熱應(yīng)力，能夠提高工模具的使用性能及工作壽命。
申請?zhí)枮?01010192207.5的專利公開了一種crtialsin納米復(fù)合涂層、沉積有該涂層的刀具及其制備方法。該復(fù)合涂層包括粘結(jié)層、支撐層和主耐磨層，粘結(jié)層為cr，支撐層為crn，主耐磨層是由crsin層與tialsin層交替構(gòu)成的crsin/tialsin納米多層復(fù)合涂層。將上述粘結(jié)層沉積在刀具基體上，再沉積支撐層和主耐磨層，即得到沉積有該涂層的刀具。本發(fā)明所得crtialsin納米復(fù)合涂層具有硬度高、摩擦系數(shù)低、附著力強的優(yōu)點。
申請?zhí)枮?01510756629.3的專利公開了一種氮硼鈦/氮硅鋁鈦納米復(fù)合多層涂層刀具，刀具基體上由內(nèi)至外依次附著有過渡層和耐磨層，過渡層為tin，耐磨層由tibn層和tialsin層交替復(fù)合構(gòu)成。本發(fā)明同時還提供了上述刀具的制備方法，在進行涂層之前先沉積一層過渡層，過渡層可以極大的提高涂層的附著力；然后在一定條件下沉積納米復(fù)合多層涂層，通過控制工件架轉(zhuǎn)速和氮氣氣壓，來實現(xiàn)多層復(fù)合薄膜調(diào)制周期的變化，以調(diào)節(jié)一個雙層周期的厚度。本發(fā)明所制備tibn/tialsin納米復(fù)合多層涂層刀具有良好的結(jié)合力和耐磨、耐高溫性能，保證了刀具長期穩(wěn)定工作。
然而，在以上文獻中，存在涂層力學(xué)性能與涂層成本相矛盾的問題，有些涂層硬度等力學(xué)性能不高，不能滿足日益惡化的零件服役環(huán)境；而某些性能較好的涂層材料，制備工藝又相對復(fù)雜，從而造成涂層的生產(chǎn)成本增加。因此，開發(fā)出工藝簡單、生產(chǎn)成本低、具有高硬度、高耐磨性的tialsin納米復(fù)合涂層及其制備技術(shù)是亟待解決的關(guān)鍵問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單、沉積速度快、成本低、生產(chǎn)效率高、能耗低的具有超高硬度的si摻雜納米復(fù)合涂層的制備工藝，此工藝對設(shè)備要求較低，可作為高速、干式切削的刀具涂層和其他領(lǐng)域的保護涂層。采用此工藝制作的涂層具有較高的硬度，具有優(yōu)良的抗高溫氧化性能和耐腐蝕性能，結(jié)合強度高。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
一種具有超高硬度的si摻雜納米復(fù)合涂層的制備工藝，其包括以下步驟：
s1、基體的清洗：所述基體的清洗包括先后依次進行的超聲波清洗和離子清洗；
s2、tin過渡層的制備：將經(jīng)清洗后的基體送到濺射室，通過直流電源控制ti靶，真空室的本底真空度優(yōu)于5
s3、tialsin納米復(fù)合涂層的制備：將經(jīng)步驟s2處理后的基體繼續(xù)沉積，ti-si復(fù)合靶材由射頻陰極控制，真空室的本底真空度優(yōu)于5
優(yōu)選的方案，步驟s1所述的超聲波清洗是將經(jīng)打磨鏡面拋光處理后的基體在無水乙醇和丙酮中利用超聲波清洗5～10min。
進一步優(yōu)選的方案，步驟s1所述的離子清洗的方法為：將經(jīng)超聲波清洗后的樣品裝好后置入進樣室，抽真空后開ar，維持真空度為2～4pa，用中頻對基體進行30min的離子轟擊，離子轟擊的功率為80～100w。
更進一步優(yōu)選的方案，所述步驟s1所述的基體為金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷。
再進一步優(yōu)選的方案，步驟s3所述具有納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的tialsin納米復(fù)合涂層由呈現(xiàn)nacl結(jié)構(gòu)的tialn相和si3n4相組成。
步驟s2和s3所述的ar和n2的混合氣體中，n2流量為5～10sccm，ar流量為30～50sccm，n2和ar的流量比的范圍均為：3/38～7/38。
步驟s2中的ti靶和步驟s3中的ti-si復(fù)合靶材與基體之間的距離范圍均為5～7cm。
步驟s3所述tialsin納米復(fù)合涂層沉積的氣壓范圍為0.2～0.6pa。
所述步驟s1中超聲波的清洗頻率為15～30khz，中頻為13.56hz。
步驟s3所述基體沉積時加熱的溫度范圍為200～400℃。
通過采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明一種具有超高硬度的si摻雜納米復(fù)合涂層的制備工藝與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果為：
1、本發(fā)明獲得的tialsin涂層主體由tialn相和si3n4界面相兩相組成，并且在涂層內(nèi)部形成納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，即si3n4界面相包裹晶粒尺寸為5～10nm的tialn納米晶粒，在該納米復(fù)合結(jié)構(gòu)下，位錯運動難以開展，因此，本涂層可獲得較高的硬度，其硬度可高于40gpa。
2、本發(fā)明所獲得的涂層具有優(yōu)良的抗高溫氧化性能和耐腐蝕性能。
3、本發(fā)明不僅制作工藝簡單、沉積速度快、成本低、結(jié)合強度高，并且具有生產(chǎn)效率高、能耗低、對設(shè)備要求較低等優(yōu)點，可作為高速、干式切削的刀具涂層和其他領(lǐng)域的保護涂層。
附圖說明
圖1為本發(fā)明一種具有超高硬度的si摻雜納米復(fù)合涂層的制備工藝的工藝流程圖。
具體實施方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明了，下面結(jié)合具體實例并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本發(fā)明的概念。
本發(fā)明的制備方法中所用到的儀器分別為：
jgp-450型多靶雙室磁控濺射系統(tǒng)；
m308457超聲波清洗機。
本發(fā)明所采用的測試方法：
edax能譜儀（eds）分析成分；
d/max2550vb/pc型x射線衍射儀（xrd）測定物相組成；
nanoindenterg200型納米壓痕儀測量硬度和彈性模量。
一種具有超高硬度的si摻雜納米復(fù)合涂層材料及其制備工藝，如附體1所示，其包括如下制備步驟：
（1）基體清洗
將經(jīng)打磨鏡面拋光處理后的基體在無水乙醇和丙酮中利用超聲波清洗5～10min；
然后進行離子清洗：將樣品裝好后裝入進樣室，抽真空后開ar氣，維持真空度在2～4pa，用中頻對所述基體進行30min的離子轟擊，功率為80～100w；
（2）tin過渡層制備
將步驟（1）處理后的基體送到濺射室，通過直流電源控制ti靶，真空室的本底真空度優(yōu)于5
（3）tialsin納米復(fù)合涂層制備
將步驟（2）處理后的基體繼續(xù)沉積，ti-si復(fù)合靶材由射頻陰極控制，真空室的本底真空度優(yōu)于5
本專利中涂層在jgp-450型多靶磁控濺射儀上采用反應(yīng)濺射法制備。采用高速鋼、硬質(zhì)合金等作為基體，經(jīng)丙酮和無水乙醇超聲波清洗后裝入真空室內(nèi)進行30min的離子清洗，然后采用直流或射頻反應(yīng)濺射方法沉積。
以下各實施例中還是按照上述步驟進行制備，只是具體參數(shù)稍作變化，具體如下：
實施例1
本發(fā)明提出的tialsin納米復(fù)合涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為：靶基距：5cm；n2流量：5sccm；ar流量：38sccm；總氣壓：0.4pa；溫度：300℃；射頻電源功率：350w，沉積時間：90min。經(jīng)測試，獲得涂層硬度為42.4gpa，涂層厚度為2.5μm。
實施例2
本發(fā)明提出的tialsin納米復(fù)合涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為：靶基距：6cm；n2流量：10sccm；ar氣流量：48sccm；總氣壓：0.6pa；溫度：250℃；射頻電源功率：300w，沉積時間：120min。經(jīng)測試，獲得涂層硬度為40.4gpa，涂層厚度為4.6μm。
實施例3
本發(fā)明提出的tialsin納米復(fù)合涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為：靶基距：7cm；n2流量：6sccm；ar氣流量：40sccm；總氣壓：0.5pa；溫度：350℃；射頻電源功率：320w，沉積時間：100min。經(jīng)測試，獲得涂層硬度為41.6gpa，涂層厚度為3.7μm。
實施例4
本發(fā)明提出的tialsin納米復(fù)合涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為：靶基距：5cm；n2流量：5sccm；ar氣流量：30sccm；總氣壓：0.2pa；溫度：200℃；射頻電源功率：280w，沉積時間：110min。經(jīng)測試，獲得涂層硬度為42.8gpa，涂層厚度為3.2μm。
實施例5
本發(fā)明提出的tialsin納米復(fù)合涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為：靶基距：6cm；n2流量：7sccm；ar氣流量：45sccm；總氣壓：0.4pa；溫度：250℃；射頻電源功率：300w，沉積時間：100min。經(jīng)測試，獲得涂層硬度為40.7gpa，涂層厚度為2.6μm。
實施例6
本發(fā)明提出的tialsin納米復(fù)合涂層制備方法的具體工藝參數(shù)為：靶基距：7cm；n2流量：9sccm；ar氣流量：42sccm；總氣壓：0.4pa；溫度：300℃；射頻電源功率：330w，沉積時間：90min。經(jīng)測試，獲得涂層硬度為40.4gpa，涂層厚度為3.0μm。
上述的具體實施方式只是示例性的，是為了更好地使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解本專利，不能理解為是對本專利包括范圍的限制；只要是根據(jù)本專利所揭示精神的所作的任何等同變更或修飾，均落入本專利包括的范圍。