一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层及制备方法技术

本发明专利技术涉及一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层及制备方法，其中涂层包括通过物理气相沉积法依次设于基底上的Ti层、TiN层、TiCN层以及TiCN/a

【技术实现步骤摘要】
一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层及制备方法


[0001]本专利技术属于工模具
，涉及一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层及制备方法，尤其涉及一种兼具高硬度、自润滑性的金属陶瓷复合自润介质涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着材料技术的发展，物理气相沉积涂层的应用日渐广泛。如在航空航天领域，军工导弹、核电、航天、航空部件大量使用的难加工材料如高硅铝合金、不锈钢、钛合金、高温合金、碳纤维、石墨等，无涂层刀具无法正常对其切削加工，且国外已将涂层作为炮管的内膛防护涂层。在智能制造领域，金属模具涂层可以使模具寿命提高3～5倍，精密有色金属压铸模具采用涂层处理可避免模具龟裂、高温熔融金属冲蚀磨损、粘模，注塑模具采用涂层处理可防止塑胶模具腐蚀、粘模、磨损、保护模具镜面。在绿色制造领域，物理气相涂层技术真正能够实现机械零部件的无油润滑，在减小摩擦和节能降耗方面具有独特的作用，也是替代电镀的最佳选择，而电镀是目前国家正在淘汰的污染产业，也急需寻找替代技术。在医疗器械领域，物理气相沉积涂层是增加人造关节表面耐磨性、防腐蚀性，以及提高关节与人体组织相容性的唯一可选的硬质涂层。在电子、半导体和光学领域，物理气相沉积涂层可作为太阳能电池板、电路板等表面吸光及导电涂层。
[0003]目前，物理气相沉积涂层应用最为广泛的领域应属材料成型加工。国外工业发达国家80％以上的金属加工刃具、60％以上的材料成型模具均采用物理气相沉积涂层处理，涂层不仅大幅提高了刀具、模具的工作寿命，而且改善了工件的加工质量，提升加工效率，降低制造成本。
[0004]市场上的工模具硬质涂层产品可分为两大类，一类为用于黑色金属成型加工的“硬涂层”(如CrN、TiSiN、TiAlN等)，另一类为用于软金属及高分子材料成型加工的“软涂层”(如类金刚石涂层)。“硬涂层”因具备较高的硬度而表现出较好的耐磨性能。“软涂层”因表面致密光滑、摩擦系数低而表现出较好的抗粘附性、自润滑性及耐磨性。对于在工作过程中的工模具而言，其失效往往始于表面。对工模具表面进行处理，可以避免其表面过早失效。因此，国内涂层技术在工模具表面改性领域的应用愈加广泛。国内涂层技术经过几代的发展，涂层向着多层化、复合化的方向发展。相比较于传统的涂层，新型涂层具有更高的硬度、耐磨性、韧性及耐高温氧化性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的就是提供一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层及其制备方法，用于解决现有涂层硬度较差的问题。
[0006]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0007]一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层，包括依次设于基底上的Ti层、TiN层、TiCN层以及TiCN/a
‑
C层。
[0008]当涂层中C、N的原子数量比大于1时，涂层中便析出非晶碳，形成兼具软、硬涂层性质的金属陶瓷复合自润介质涂层，即TiCN与非晶碳组成的混合涂层(TiCN/a
‑
C层)。当涂层中C、N的原子数量比小于或等于1时，涂层为具备硬涂层性质的金属陶瓷涂层，即TiCN层。
[0009]进一步地，所述的Ti层的厚度为0.2
‑
0.4μm，所述TiN层的厚度为0.4
‑
0.6μm，所述TiCN层的厚度为0.6
‑
0.8μm，所述TiCN/a
‑
C层的厚度为0.8
‑
1.0μm。
[0010]作为优选的技术方案，所述的Ti层的厚度为0.2μm，所述TiN层的厚度为0.4μm，所述TiCN层的厚度为0.6μm，所述TiCN/a
‑
C层的厚度为0.8μm。
[0011]作为优选的技术方案，所述基底包括硬质合金、高速钢或不锈钢中的一种。
[0012]一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层的制备方法，包括：通过物理气相沉积法依次在基体上沉积Ti层、TiN层、TiCN层以及TiCN/a
‑
C层。
[0013]进一步地，所述的Ti层的物理气相沉积过程中，真空度为0.3
‑
0.8Pa，沉积温度为420
‑
480℃，偏压为
‑
420V至
‑
380V，金属Ti靶电流为100
‑
140A，沉积时间为5
‑
10min。
[0014]进一步地，所述的TiN层的物理气相沉积过程中，N2气压为0.8
‑
1.2Pa，沉积温度为420
‑
480℃，偏压为
‑
320V至
‑
280V，金属Ti靶电流为100
‑
140A，沉积时间为10
‑
15min。
[0015]进一步地，所述的TiCN层的物理气相沉积过程中，N2与C2H2总气压为0.8
‑
1.2Pa，N2与C2H2的体积流量比为(4.8
‑
5.2):1，沉积温度为420
‑
480℃，偏压为
‑
220V至
‑
180V，金属Ti靶电流为160
‑
200A，沉积时间为15
‑
20min。
[0016]进一步地，所述的TiCN/a
‑
C层的物理气相沉积过程中，N2与C2H2总气压为0.8
‑
1.2Pa，N2与C2H2的体积流量比为(2.8
‑
3.2):1，沉积温度为420
‑
480℃，偏压为
‑
120V至
‑
80V，金属Ti靶电流为100
‑
140A，沉积时间为20
‑
25min。
[0017]作为优选的技术方案，所用金属Ti靶纯度高于99.6％。
[0018]传统的“硬涂层”，即金属陶瓷涂层，适用于黑色金属的加工，而不适用于有色金属及高分子材料的成型加工。若将金属陶瓷涂层应用于有色金属及高分子材料的成型加工，则会出现材料粘附及表面加工质量差等现象。传统的“软涂层”，如类金刚石涂层(DLC)，适用于软金属及高分子材料的加工，若将DLC应用于黑色金属的加工，则C元素极易与铁基金属元素发生化学反应而导致涂层快速失效。本专利技术在“硬涂层”中添加富余的形成“软涂层”的元素后，形成一种兼具“硬涂层”的高硬度、耐磨损及“软涂层”的自润滑、抗粘附的新涂层，即将金属陶瓷硬涂层与类金刚石软涂层相结合，专利技术了一种物理气相沉积金属陶瓷涂层复合自润滑介质的涂层，该涂层对于黑色金属、有色金属及高分子材料的加工均具备适用性。本专利技术的涂层应用于黑色金属的加工，因涂层形成具有自润滑性质碳转移膜而进一步提高涂层的耐磨性。本专利技术的涂层应用于有色金属及高分子材料的加工，因具备金属陶瓷层的性质而具有更长的使用寿命。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下特点：
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层，其特征在于，该涂层包括依次设于基底(1)上的Ti层(2)、TiN层(3)、TiCN层(4)以及TiCN/a
‑
C层(5)，其中TiCN/a
‑
C层(5)为TiCN/非晶碳复合涂层。2.根据权利要求1所述的一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层，其特征在于，所述的Ti层(2)的厚度为0.2
‑
0.4μm。3.根据权利要求1所述的一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层，其特征在于，所述TiN层(3)的厚度为0.4
‑
0.6μm。4.根据权利要求1所述的一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层，其特征在于，所述TiCN层(4)的厚度为0.6
‑
0.8μm。5.根据权利要求1所述的一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层，其特征在于，所述TiCN/a
‑
C层(5)的厚度为0.8
‑
1.0μm。6.如权利要求1至5任一项所述的一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层的制备方法，其特征在于，该方法包括：通过物理气相沉积法依次在基体(1)上沉积Ti层(2)、TiN层(3)、TiCN层(4)以及TiCN/a
‑
C层(5)。7.根据权利要求6所述的一种物理气相沉积金属陶瓷复合自润介质涂层的制备方法，其特征在于，所述的Ti层(2)的物理气相沉积过程中，真空度为0.3
‑
0.8Pa，沉积温度为420
‑
480℃，偏压为
‑
420V至
‑
380V，金属Ti靶电流为100
‑
140A，沉积时间为5
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：陈强，张而耕，周琼，黄彪，梁丹丹，李朝明，
申请(专利权)人：上海离原环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：