AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺，属于复合涂层制备技术领域。该工艺采用电弧离子镀膜技术镀膜，靶材选取金属Cr靶、AlCr靶、AlCrSi靶。镀膜前先通入氩气辉光放电清洗，随后开启Cr靶对基体表面进行离子轰击清洗，然后沉积CrN过渡层，最后通入氮气和氧气作为反应气体，交替开启AlCrSi靶和AlCr靶，依次往复沉积AlCrSiN层、AlCrN层、AlCrON层和AlCrN层。本发明专利技术制备的多层纳米复合涂层工艺简单，涂层组织结构致密、涂层与基体间结合力强，具有较高的硬度和强度，良好的耐磨损性能。

【技术实现步骤摘要】
AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺
本专利技术涉及多元纳米复合涂层制备
，具体涉及一种AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺。
技术介绍
随着低温、低压气相沉积技术的发展，利用磁控溅射、电弧离子镀以及PECVD可在非平衡状态下沉积平衡状态不存在的薄膜，特别是等离子体、离子束等辅助沉积技术的出现，能在更低温度下进行高质量涂层的合成，极大促进了硬质涂层发展。近年来,提高涂层与基体的结合强度、刀具涂层的强度、硬度、韧性、抗氧化、耐高温和耐磨损等性能，能够拓宽涂层刀具在干式切削加工中的应用，满足难加工材料的高速切削要求及现代金属加工需要的速度、进给率、可靠性、耐磨性和良好的切削可控性的条件。涂层真空气相沉积技术的不断更新，刀具涂层已由最初的单层发展到多层复合、梯度涂层、纳米复合结构，最近又新出现了混合式复合结构涂层，由于其卓越的综合性能不但显著增加了涂层刀具的使用寿命，还大大节省加工时间，提高加工效率，改善加工表面质量，促进了加工制造业的迅猛发展。为研制结构致密、高硬度、高耐磨性的多层纳米复合涂层，本专利采用电弧离子镀膜技术在金属或合金基体上沉积AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层，进一步提高涂层刀具的机械性能、延长使役寿命。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺，所制备的AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层兼具高硬度、高耐磨性和高热稳定性。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：一种AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺，该工艺是采用电弧离子镀膜技术先在基体上沉积CrN过渡层，再依次往复沉积AlCrSiN层、AlCrN层、AlCrON层和AlCrN层，从而获得所述AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层。该工艺中，靶材选择纯金属Cr靶、AlCr合金靶和AlCrSi合金靶，靶材纯度均为99.9wt.％；沉积各层时，弧电流均设置为60～100A。本专利技术工艺具体包括如下步骤：(1)将预处理后的基体放入镀膜室中央转架上，真空室气压抽至3.0×10-3Pa以下；(2)先对基体进行辉光放电清洗，然后在基体表面沉积一层厚度100～300nm的CrN过渡层以提高工作层与基体之间的结合力；(3)沉积多层复合涂层：先开启AlCrSi合金靶，通入氩气和氮气，沉积AlCrSiN层；然后仅开启AlCr靶，通入氩气和氮气，沉积AlCrN层；再通入氧气，沉积AlCrON层；最后停止通入氧气，仅通入氩气和氮气，沉积AlCrN层；(4)多次重复步骤(3)的过程，根据所需涂层的总厚度设置涂层的不同调制周期和沉积时间，获得所述AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层。上述步骤(2)中辉光放电清洗的过程为：先采用高脉冲负偏压辉光放电清洗基体10～30min，辉光清洗后开启Cr靶，调整脉冲偏压依次至-800V、-600V、-400V和-200V对基体表面分别进行2min的离子轰击清洗。上述步骤(2)中，所述辉光放电清洗的具体过程为：将炉腔加热至400～500℃，通入氩气300～500sccm，设置脉冲偏压-600～-1000V，对基体进行辉光放电清洗；所述离子轰击清洗过程为：辉光放电清洗后，开启Cr靶，调整氩气流量为50～150sccm，依次在-800V、-600V、-400V和-200V脉冲负偏压条件下各清洗2min。上述步骤(2)中，沉积CrN过渡层的过程为：辉光放电和离子轰击清洗后，设置脉冲偏压为-60～-100V，占空比60％～90％，开启Cr靶，通入氩气流量为50sccm，氮气流量为200sccm，调节沉积气压至0.5～1.2Pa，沉积CrN过渡层10～30min。上述步骤(3)中，沉积AlCrSiN层时，设置脉冲偏压-70～-120V，占空比60％～90％，通入氩气和氮气使沉积压强保持为0.8～1.3Pa；沉积AlCrN层时，设置脉冲偏压-80～-100V，占空比60％～90％，通入氩气和氮气使沉积压强保持在1.5～3Pa；沉积AlCrON层时，设置脉冲偏压-80～-100V，占空比60％～90％，通入氩气、氧气和氮气使沉积压强保持在2～3Pa。上述步骤(3)中，沉积AlCrSiN涂层和AlCrN涂层时，通入氩气流量为50sccm，氮气流量为600sccm，总流量650sccm；沉积AlCrON涂层时，通入氩气流量为50sccm，氮气流量为600sccm，氧气流量为20sccm，总流量670sccm。所述基体为金属或硬质合金，所制备的AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层是由AlCrSiN层、AlCrN层、AlCrON层和AlCrN层依次叠加为周期，涂层调制周期为50-800nm，周期数≥4，AlCrSiN层、AlCrN层、AlCrON层和AlCrN层的调制比为3：1：1：1，涂层总厚度控制为3μm。所述AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层，由面心立方结构的纳米晶镶嵌于非晶层中形成纳米复合结构，没有低硬度的六方相生成，涂层沿(Cr,Al)N的(110)晶面和(200)晶面择优生长。本专利技术设计机理如下：本专利技术通过在AlCrN涂层中添加Si元素，利用Al、Cr元素的固溶强化作用和形成非晶Si3N4包裹纳米晶的复合结构来强化涂层，另在AlCrN涂层中添加O元素，利用AlCrON涂层的热稳定性和热障能力来提升涂层的耐热能力，再利用AlCrN涂层高韧性对AlCrON涂层进行包裹，将AlCrSiN层、AlCrN层、AlCrON层和AlCrN层相互叠加排布形成多层纳米复合涂层，可使AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层复合涂层具有明显优于单层涂层的优异特性，满足高速切削和干切削等工况需求。本专利技术制备的纳米多层复合涂层是一个调制结构，即具有一定重复周期。将三种不同涂层以纳米级尺寸交替沉积，所获得的多层纳米复合结构会出现硬度异常升高的超硬现象，并且汇集不同材料的优点，克服单层膜的不足，实现涂层的高硬度、高韧性和优异的耐磨性能。本专利技术的优点如下：1、本专利技术研制的AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层具有较高的硬度和韧性，摩擦系数低，耐磨性能好。2、本专利技术研制的AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层具有良好的高温热稳定性和耐蚀性能，可用于高速干切削加工领域。3、本专利技术研制的AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层，厚度均匀且结构致密，与基体具有良好的结合强度。4、本专利技术研制的AlCrSiN/AlCrN/AlC本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺是采用电弧离子镀膜技术先在基体上沉积CrN过渡层，再在CrN过渡层上依次往复沉积AlCrSiN层、AlCrN层、AlCrON层和AlCrN层，从而获得所述AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层。/n

【技术特征摘要】
1.一种AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺是采用电弧离子镀膜技术先在基体上沉积CrN过渡层，再在CrN过渡层上依次往复沉积AlCrSiN层、AlCrN层、AlCrON层和AlCrN层，从而获得所述AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层。


2.根据权利要求1所述的AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺中，靶材选择纯金属Cr靶、AlCr合金靶和AlCrSi合金靶，靶材纯度均为99.9wt.％；沉积各层时，弧电流均设置为60～100A。


3.根据权利要求2所述的AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：该工艺包括如下步骤：
(1)将预处理后的基体放入镀膜室中央转架上，真空室气压抽至3.0×10-3Pa以下；
(2)先对基体进行辉光放电清洗，然后在基体表面沉积一层厚度100～300nm的CrN过渡层以提高工作层与基体之间的结合力；
(3)沉积多层复合涂层：最先开启AlCrSi合金靶，通入氩气和氮气，沉积AlCrSiN层；然后仅开启AlCr靶，通入氩气和氮气，沉积AlCrN层；再通入氧气，沉积AlCrON层；最后关闭氧气阀，只通入氩气和氮气，沉积AlCrN层；
(4)多次重复步骤(3)的过程，根据所需涂层的总厚度设置涂层的不同调制周期和沉积时间，获得所述AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层。


4.根据权利要求3所述的AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：步骤(2)中辉光放电清洗的过程为：先采用高的脉冲负偏压辉光放电清洗基体10～30min，辉光清洗后开启Cr靶，依次调整脉冲偏压至-800V、-600V、-400V和-200V对基体表面分别进行2min的离子轰击清洗。


5.根据权利要求4所述的AlCrSiN/AlCrN/AlCrON/AlCrN多层纳米复合涂层的制备工艺，其特征在于：步骤(2)中所述辉光放电清洗的过程为：将炉腔加热至400～500℃，通入氩气300～500sccm，设置脉冲偏压-600～-1000V，对基体进行辉光放电清洗；所述离子轰击清洗过程为：辉光放电清洗后，开启Cr靶，调整氩气流量为50～150sccm，依次在-800V、-600V、-400V和-200...

【专利技术属性】
技术研发人员：王铁钢，林伟，刘迁，刘艳梅，阎兵，彭勇，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：天津;12