可调控磁场电弧离子镀制备氮基硬质涂层的工艺方法技术

本发明专利技术的可调控磁场电弧离子镀技术制备氮基硬质涂层的工艺方法，包括以下步骤：基片预处理；基片超声清洗；基片表面刻蚀清洗；沉积氮基硬质涂层：对基片进行电弧离子镀膜，调节电磁场线圈的电源参数以改变电磁场的强度和方向，使弧斑在靶面上以靶材中心为圆心做稳定地缩放运动，均匀地刻蚀靶材；放气取出镀膜后的基片。本发明专利技术的工艺及方法，通过调节电磁场线圈的电源参数以改变电磁场的强度和方向，使弧斑在靶面上以靶材中心为圆心做稳定地缩放运动，均匀地刻蚀靶材。利用该方法镀制的单层氮基硬质涂层硬度高、与基体表面结合强度高、摩擦系数低、涂层表面光滑、“大颗粒”数量少且尺寸小且组织均匀致密，该镀制工艺简单易行、成本低。

Process for preparing nitrogen based hard coatings by adjustable magnetic field arc ion plating

Method for adjusting magnetic field of arc ion plating by nitrogen based hard coatings of the invention comprises the following steps: pretreatment of the substrate substrate; ultrasonic cleaning; substrate etching cleaning; deposition of nitrogen based hard coatings: arc ion plating on the substrate, the power adjusting parameters to change the intensity and electromagnetic coil the direction of the electromagnetic field, the arc spots do stable motion to target zoom center on the target surface, uniform etching target; substrate after coating out of deflation. The process and method of the invention, by adjusting the parameters of electromagnetic field coil power to change the intensity and direction of magnetic field, the arc spots do stable motion to target zoom center on the target surface, uniform etching target. By using the method of deposition of single nitrogen based hard coatings with high hardness, and the substrate surface with high strength, low friction coefficient, smooth coating, large particles and small number of small size and uniform microstructure and the preparation process is simple, low cost.

【技术实现步骤摘要】
可调控磁场电弧离子镀制备氮基硬质涂层的工艺方法
本专利技术属于物理气相沉积电弧离子镀
，特别涉及一种可调控磁场电弧离子镀技术制备氮基硬质涂层的工艺方法。
技术介绍
电弧离子镀沉积的氮基硬质涂层具有高硬度、高耐磨性，膜层与基底之间高的结合强度、良好的化学稳定性；特别是在高温下具有稳定的抗氧化性能使得其在刀具、模具等许多领域得到了广泛地应用。随着金属切削工艺的发展，特别是高速切削、干式切削等新工艺的出现，对于刀具涂层性能提出了更高的要求。目前，国内在刀具表面镀制的氮基硬质涂层使用较多的仍然是单层涂层，由于基体和涂层之间的热膨胀系数不同，造成涂层与基体结合强度较低，且涂层中的内应力较大。但单层涂层的制备比较简单，而且其重磨修复成本低，因此提高单层涂层性能和适用范围，有利于提高表面改性的效果，提高生产效率。基于氮基硬质涂层的诸多优点，国内外公司与专家学者做了大量地研究。ChandrashekharAmbiger等人在碳钢基体上制备AlCrN单层涂层，当在高碳钢(EN-31)沉积厚度达到4±0.2μm时，涂层达到最好的综合性能。涂层硬度达到3252HV，摩擦系数维持在0.24左右，具有良好的膜基结合强度(MaterialsScienceandMetallurgyEngineering，2016，3(1):1-7.)。专利CN102011091A公开了一种高硬度高弹性模量CrAlN保护涂层及其制备方法。基体上沉积CrAlN涂层，底层是Cr过渡层，外层是CrAlN涂层。该制备方法得到的涂层具有30GPa左右的硬度，且弹性模量达到350GPa以上，同时还具有优良的耐腐蚀能力。该专利技术采用磁控溅射方法，缺点是离化率和沉积速率较低，同时直流溅射容易产生靶中毒现象，影响镀膜的质量。专利CN101058869A公开了一种氮离子束辅助电弧离子镀沉积TiAlN膜层新工艺，采用离子源通氮气对工件表面进行轰击清洗并辅助TiAlN膜层沉积。新工艺有效降低了膜层中“大颗粒”的数量和尺寸，能够得到膜厚4μm、显微硬度HV0.012600、结合力65N、氧化温度达到700℃的TiAlN涂层。该专利技术在对工件进行轰击时负偏压较高，工件由于边沿效应而温度上升很快，易出现烧边，还会产生变形和热应力。同时离子源需要经常进行维护，降低生产效率，提高生产成本。由于电弧离子镀自身的特点，在沉积涂层的过程中存在“大颗粒”污染的问题，如果涂层的表面含有大量的“大颗粒”就会严重降低涂层的综合性能。因此，如何解决涂层表面“大颗粒”污染问题，制备出综合性能优异的氮基硬质涂层成为当前应用领域的一个热点。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种可调控磁场电弧离子镀制备氮基硬质涂层的工艺方法，制备的单层氮基硬质涂层硬度高、与基体表面结合强度高、摩擦系数低、涂层表面光滑、“大颗粒”数量少且尺寸小且组织均匀致密。本专利技术提供一种可调控磁场电弧离子镀技术制备氮基硬质涂层的工艺方法，包括以下步骤：a、基片预处理：对基片进行抛光处理；b、基片超声清洗：对抛光后的基片进行超声清洗；c、基片表面刻蚀清洗：将超声清洗后的基片放入真空室内，抽气至本底真空，开启刻蚀弧电源对基片表面进行刻蚀清洗；d、沉积氮基硬质涂层：对刻蚀清洗后的基片进行电弧离子镀膜，调节电磁场线圈的电源参数以改变电磁场的强度和方向，使弧斑在靶面上以靶材中心为圆心做稳定地缩放运动，均匀地刻蚀靶材,电源参数包括电压、电流以及脉冲时间；e、出炉：向真空室内通入一段时间的氮气，最后放气取出镀膜后的基片。本专利技术的工艺及方法，通过调节电磁场线圈的电源参数以改变电磁场的强度和方向，使弧斑在靶面上以靶材中心为圆心做稳定地缩放运动，均匀地刻蚀靶材。利用该方法镀制的单层氮基硬质涂层硬度高、与基体表面结合强度高、摩擦系数低、涂层表面光滑、“大颗粒”数量少且尺寸小且组织均匀致密，该镀制工艺简单易行、成本低。附图说明图1可调控磁场电弧离子镀制备氮基硬质涂层的工艺方法的流程图；图2是本专利技术的工艺方法镀制的TiN涂层3000倍扫描电镜形貌图；图3是本专利技术的工艺方法镀制的TiN涂层膜基结合强度曲线图；图4是本专利技术的工艺方法镀制的TiN涂层摩擦曲线图；图5是本专利技术的工艺方法镀制的TiAlN涂层3000倍扫描电镜形貌图；图6是本专利技术的工艺方法镀制的TiAlN涂层膜基结合强度曲线图；图7是本专利技术的工艺方法镀制的TiAlN涂层摩擦曲线图；图8是本专利技术的工艺方法镀制的CrAlN涂层3000倍扫描电镜形貌图；图9是本专利技术的工艺方法镀制的CrAlN涂层膜基结合强度曲线图；图10是本专利技术的工艺方法镀制的CrAlN涂层摩擦曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的采用可调控磁场电弧离子镀制备氮基硬质涂层的工艺方法进行详细说明。如图1所示为本专利技术的可调控磁场电弧离子镀制备氮基硬质涂层的工艺方法的流程图，包括以下步骤：a、基片预处理：对基片进行抛光处理；b、基片超声清洗：对抛光后的基片进行超声清洗；c、基片表面刻蚀清洗：将超声清洗后的基片放入真空室内，抽气至本底真空，开启刻蚀弧电源对基片表面进行刻蚀清洗；d、沉积氮基硬质涂层：对刻蚀清洗后的基片进行电弧离子镀膜，调节电磁场线圈的电源参数以改变电磁场的强度和方向，使弧斑在靶面上以靶材中心为圆心做稳定地缩放运动，均匀地刻蚀靶材,电源参数包括电压、电流以及脉冲时间；e、出炉：向真空室内通入一段时间的氮气，最后放气取出镀膜后的基片。步骤b具体为：将去离子水与清洗剂按1:5～1:15比例混合，进行超声清洗10min～60min，超声清洗时温度维持在20℃～50℃；再用去离子水超声漂洗5min～30min后用无水乙醇脱水，基片清洗结束后吹干或烘干放入真空室。步骤c具体为：抽气至本底真空，气压为5×10-3Pa～9×10-3Pa，同时将真空室加热到300℃～500℃；打开工件转架，转速为6Hz～12Hz，通入100sccm～200sccm氩气，调节光栅阀角度使工作气压为0.3Pa～0.5Pa；开启偏压电源，对基片施加负偏压，负偏压的施加是一个逐渐递增的过程，最大值为100V～200V，防止工件打火；开启刻蚀弧电源，弧电流为100A～180A，刻蚀时间为30min～60min，刻蚀的厚度为200nm～400nm。步骤d具体为：向真空室通入200sccm～900sccm氮气，调节光栅阀角度使工作气压为1Pa～5Pa，真空室温度维持在300℃～500℃，工件架转速为6Hz～12Hz；开启电磁场线圈电源，调节脉冲电源参数；然后开启偏压电源，对基片施加最大值为100V～200V的负偏压；最后开启弧电源进行涂层沉积，弧电流为80A～150A，沉积时间为30min～120min；通过调节电磁场线圈的电源参数使弧斑在靶面上以靶材中心为圆心做稳定地缩放运动，均匀地刻蚀靶材。步骤d中，沉积涂层过程中需要调节偏压，先施加高偏压提高结合力，最后5min～25min采用小偏压。步骤d中，采用的靶材直径为100mm～160mm，靶材厚度20mm～50mm，靶基距为50mm～100mm。步骤e中，通气氮气的时间为5min～10min；气压范围为1Pa～5Pa，最佳气压范围为1Pa～2Pa。通过上述步骤所制备涂层厚度为1μm～10μm。具体实施时，镀膜采用的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可调控磁场电弧离子镀技术制备氮基硬质涂层的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：a、基片预处理：对基片进行抛光处理；b、基片超声清洗：对抛光后的基片进行超声清洗；c、基片表面刻蚀清洗：将超声清洗后的基片放入真空室内，抽气至本底真空，开启刻蚀弧电源对基片表面进行刻蚀清洗；d、沉积氮基硬质涂层：对刻蚀清洗后的基片进行电弧离子镀膜，调节电磁场线圈的电源参数以改变电磁场的强度和方向，使弧斑在靶面上以靶材中心为圆心做稳定地缩放运动，均匀地刻蚀靶材,电源参数包括电压、电流以及脉冲时间；e、出炉：向真空室内通入一段时间的氮气，最后放气取出镀膜后的基片。

【技术特征摘要】
1.一种可调控磁场电弧离子镀技术制备氮基硬质涂层的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：a、基片预处理：对基片进行抛光处理；b、基片超声清洗：对抛光后的基片进行超声清洗；c、基片表面刻蚀清洗：将超声清洗后的基片放入真空室内，抽气至本底真空，开启刻蚀弧电源对基片表面进行刻蚀清洗；d、沉积氮基硬质涂层：对刻蚀清洗后的基片进行电弧离子镀膜，调节电磁场线圈的电源参数以改变电磁场的强度和方向，使弧斑在靶面上以靶材中心为圆心做稳定地缩放运动，均匀地刻蚀靶材,电源参数包括电压、电流以及脉冲时间；e、出炉：向真空室内通入一段时间的氮气，最后放气取出镀膜后的基片。2.根据权利要求1所述的可调控磁场电弧离子镀技术制备氮基硬质涂层的工艺方法，其特征在于，步骤b具体为：将去离子水与清洗剂按1:5～1:15比例混合，进行超声清洗10min～60min，超声清洗时温度维持在20℃～50℃；再用去离子水超声漂洗5min～30min后用无水乙醇脱水，基片清洗结束后吹干或烘干放入真空室。3.根据权利要求1所述的可调控磁场电弧离子镀技术制备氮基硬质涂层的工艺方法，其特征在于，步骤c具体为：抽气至本底真空，气压为5×10-3Pa～9×10-3Pa，同时将真空室加热到300℃～500℃；打开工件转架，转速为6Hz～12Hz，通入100sccm～200sccm氩气，调节光栅阀角度使工作气压为0.3Pa～0.5Pa；开启偏压电源，对基片施加负偏压，负偏压的施加是一个逐渐递增的过程，最大值为100V～200V，防止工件打火；开启刻蚀弧电源，弧电流为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔺增，陈彬，王海，
申请(专利权)人：东北大学，沈阳威利德真空技术有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁,21