專利名稱：一種物理氣相沉積涂層的工藝方法
技術領域：
本發明涉及金屬加工技術領域，尤其涉及一種物理氣相沉積涂層的工藝方法。
背景技術：
當今的制造業已發生了革命性的轉變，以數控機床為基礎的現代制造技術正朝著高速、干式切削加工的方向邁進。由于刀具涂層技術可大幅度地提高切削刀具的綜合性能， 尤其是近年來超硬薄膜設計概念的提出，在理論上可有效地改善刀具的高溫性能，使涂層刀具應用于高速、干式切削加工成為可能。物理氣相沉積(即PVD，Wiysical Vapor D印osition)是當前國際上廣泛應用的先進的表面處理技術，可為物件、工具、工件等提供各類單一或多層涂層加工服務。其工作原理就是利用真空物理過程，例如蒸發或者濺射實現物質的轉移，將原子或分子由源轉移到基體表面上，并沉積成薄膜。這種工藝不含危害環境的物質和排放物，不存在毒性反應產品，對人體和生態環境無害，是一種能真正獲得納米至微米級薄膜且無污染的環保型表面處理方法。所得到的PVD涂層在不影響基體尺寸的情況下，改善表面外觀，表面顏色均一； 提高表面強度，在烈日、潮濕等惡劣環境中不變色、不脫落，性能穩定；而且PVD膜具有很好的導熱性能，能降低摩擦系數，高度耐磨損，耐刮擦，不易劃傷，降低切削震蕩；而且提高表面抗氧化溫度，可作為化學屏障，提高抗化學腐蝕能力；可鍍材料廣泛，與基體結合力強。在切削刀具涂層技術領域，物理氣相沉積涂層工藝主要是通過電弧蒸發作用或磁控濺射作用來實現涂層在刀具表面的沉積。由于涂層的抗氧化性能好，并可有效地控制精密刀具刃口形狀及精度，在生產高精密加工刀具、裝飾件、高要求機械零部件、高精密集成電路的模具等方面具有很廣泛的用途。與化學氣相沉積(即CVD，Chemical Vapor Deposition)工藝相比，PVD工藝溫度低，對刀具材料的抗彎強度基本無影響；薄膜內部應力狀態為壓應力，更適于對硬質合金精密復雜刀具的涂層；PVD工藝對環境無不利影響。 PVD涂層技術已普遍應用于硬質合金鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理，可大大減少在未涂層產品的維修和重新購置上的費用。但是，PVD涂層技術對基體材料有較高要求。例如，要求基體材料本身有一定的強度和硬度，即只能對硬質表面進行涂覆，提高了生產成本。對于質量較低、硬度不夠的軟質表層基體材料，一般先經過表面氮化處理，使基體材料表面硬度提高后再進行PVD涂層處理。通常的做法是，先將基體材料在氮化設備中處理后，再移至PVD設備中進行涂層處理， 而氮化過程至少十幾個小時，其工藝能耗大，處理時間長。
發明內容
針對現有的PVD涂層工藝能耗大且處理時間長的不足，本發明的目的是提供一種物理氣相沉積涂層的工藝方法。本發明解決其技術問題所采用的技術方案的步驟如下
a、對預加工基材表面進行氮化處理將基體材料置于物理氣相沉積設備反應室內的偏轉源上，向所述真空反應室內通入氮氣和惰性氣體，反應時間50 100分鐘；
b、在所述基材表面形成沉積薄膜關閉氮氣，使所述反應室降溫并向所述反應室內通入涂層材料等離子氣體，并使所述涂層材料等離子氣體轟擊經步驟a氮化處理后的基體材料，反應時間50 100分鐘。c、得到處理后的基材材料。進一步地，所述惰性氣體為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或氙氣。進一步地，所述步驟a中，反應室內真空度在4X10_2Pa以下，溫度為450°C 480°C，反應時間為100分鐘。 進一步地，所述步驟a中，氬氣氣流速度為5 10毫升/min，氮氣氣流速度為5 10 毫升 /min ο進一步地，所述步驟a中，氬氣氣流速度為7毫升/min，氮氣氣流速度為6毫升/ min。進一步地，所述步驟b中，反應室內真空度在2X10 —2以下，反應室降溫至220°C 后再將溫度控制在380°C 420°C，偏壓電源為60 V 100V，反應時間為80分鐘。進一步地，所述步驟b中，氬氣氣流速度為8 10毫升/min，氮氣氣流速度為60 90 毫升 /min ο進一步地，所述基體材料為鋼材、硬質合金或經電鍍的塑料。進一步地，所述涂層材料為氮化鈦、氮化鋁鈦、氮化鉻、氮碳化鉻涂層、碳氮化鈦或
氮化鋯。本專利的有益效果在于本發明的工藝將對基材的氮化與PVD處理在同一設備中完成，降低能耗，減少處理時間，提高生產效率。而且，該工藝可應用于處理軟質表面的基體材料，大大降低對基體材料的要求，擴大了 PVD技術的處理范圍，性價比高。傳統的PVD涂層加工溫度在250°C 450°C之間，工藝時間為池 6h。而本發明的處理工藝，涂層可在低于80°C或高于600°C條件下進行。因此，減少了工藝時間，提高了生產效率。較低的涂層溫度，零件尺寸變形小，對工藝環境無污染，達到降低成本及節約能耗的目的。與傳統PVD涂層的相比較，提高了薄膜與刀具基體材料的結合強度，所得到的產品具有高硬度、低摩擦系數、很好的耐磨性和化學穩定性等優點，且性價比高。
具體實施例方式實施例一物理氣相沉積設備由一反應室，與反應室相連接的電磁鐵磁控制裝置， 與反應室的腔室相通的氣體供應裝置構成。反應室的腔室內設有用于放置基體材料的偏轉源。物理氣相沉積設備采用市面上通用的沉積設備。本發明的一種物理氣相沉積涂層的工藝方法，其步驟如下
a、對預加工基材表面進行氮化處理將基體材料放置于物理氣相沉積設備反應室內的偏轉源上，保持反應室內真空，向反應室內通入氬氣和氮氣，反應時間50 100分鐘；
b、在基材表面形成沉積薄膜關閉氮氣，使反應室降溫并向反應室內通入涂層材料等離子氣體，并使涂層材料等離子氣體轟擊經步驟a氮化處理后的基體材料，反應時間50 100分鐘，在基體材料表面沉積成薄膜。c、得到處理后的基材材料。
其中，步驟a中，氬氣氣流速度為7毫升/min，氮氣氣流速度為6毫升/min，反應室的真空度在4X KT2Pa以下，溫度450°C 480°C，反應時間為100分鐘。步驟b中，反應室降溫至220°C，氬氣氣流速度為9毫升/min，氮氣氣流速度為 60 90毫升/min，反應室內真空度保持在2X 10 —2以下，然后，將溫度控制在380°C 420°C，偏壓電源為80V，反應時間為80分鐘。制備的TIN涂層厚度為2 4μπι。本工藝基體材料可選用鋼材，硬質合金和經電鍍的塑料等。涂層材料可選用氮化鈦(TiN)、氮化鋁鈦(TiAIN)、氮化鉻(CrN)、氮碳化鉻涂層 (CrCN)、碳氮化鈦(TiCN)和氮化鋯(ZrN)，復合涂層包括TiALYN或W-C :H/DLC。涂層厚度一般為1 4 μ m。但在有些情況下，涂層薄至0. 5 μ m，厚至15 μ m。涂層種類和厚度決定工藝時間。本發明的惰性氣體也可為氦氣、氖氣、氪氣或氙氣。實施例二 制備CRN涂層時，步驟a中氬氣流量為22毫升/min，氮氣流量49毫升 /min,涂層厚度為2 4 μ m，本實施例的其他參數和步驟與實施例一相同。PVD適合對絕大多數刀具模具和部件進行沉積涂層，應用領域包括刀具和成型模具、耐磨部件，醫療裝置和裝飾產品。原有PVD涂層技術大多只能對硬質表層進行涂覆，而本發明可對預加工產品表層進行氮化處理，將軟質表層硬化，從而可對軟質表層物體進行 PVD加工。本工藝能明顯提高部分金屬材料的表面性能，并能應用于各種對表面硬度、磨擦系數、工作環境溫度及對化學腐蝕有一定要求的場合。本領域技術人員應該認識到，上述的具體實施方式
只是示例性的，是為了使本領域技術人員能夠更好的理解本專利內容，不應理解為是對本專利保護范圍的限制，只要是根據本專利所揭示精神所作的任何等同變更或修飾，均落入本專利保護范圍。
權利要求
1.一種物理氣相沉積涂層的工藝方法，步驟如下a、對預加工基材表面進行氮化處理將基體材料置于物理氣相沉積設備反應室內的偏轉源上，向所述真空反應室內通入氮氣和惰性氣體，反應時間50 100分鐘；b、在所述基材表面形成沉積薄膜關閉氮氣，使所述反應室降溫并向所述反應室內通入涂層材料等離子氣體，并使所述涂層材料等離子氣體轟擊經步驟a氮化處理后的基體材料，反應時間50 100分鐘；C、得到處理后的基材材料。
2.根據權利要求1所述的工藝方法，其特征在于所述惰性氣體為氦氣、氖氣、氬氣、氪氣或氣氣。
3.根據權利要求2所述的工藝方法，其特征在于所述步驟a中，反應室內真空度在 4X 10_2Pa以下，溫度為450480°C，反應時間為100分鐘。
4.根據權利要求3所述的工藝方法，其特征在于所述步驟a中，氬氣氣流速度為5 10毫升/min，氮氣氣流速度為5 10毫升/min。
5.根據權利要求4所述的工藝方法，其特征在于所述步驟a中，氬氣氣流速度為7毫升/min，氮氣氣流速度為6毫升/min。
6.根據權利要求1或2所述的工藝方法，其特征在于所述步驟b中，反應室內真空度在2 X 10 —2以下，反應室降溫至220°C后再將溫度控制在380°C 420°C，偏壓電源為60 V 100V，反應時間為80分鐘。
7.根據權利要求6所述的工藝方法，其特征在于所述步驟b中，氬氣氣流速度為8 10毫升/min，氮氣氣流速度為60 90毫升/min。
8.根據權利要求1或2所述的工藝方法，其特征在于所述基體材料為鋼材、硬質合金或經電鍍的塑料。
9.根據權利要求1或2所述的工藝方法，其特征在于所述涂層材料為氮化鈦、氮化鋁鈦、氮化鉻、氮碳化鉻涂層、碳氮化鈦或氮化鋯。
全文摘要
本發明公開了一種物理氣相沉積涂層的工藝方法，涉及金屬加工技術領域。針對現有的物理氣相沉積涂層工藝能耗大且處理時間長的問題。本發明的工藝方法如下a、氮化處理將基體材料置于反應室內的偏轉源上，向真空的反應室內通入氮氣和惰性氣體，反應時間50～100分鐘；b、沉積薄膜關閉氮氣，使反應室降溫并向反應室內通入涂層材料等離子氣體，并使涂層材料等離子氣體轟擊經步驟a氮化處理后的基體材料，反應時間50～100分鐘。本發明適用于絕大多數刀具模具和部件表面的涂層處理。
文檔編號C23C14/06GK102230154SQ20111015795
公開日2011年11月2日 申請日期2011年6月14日 優先權日2011年6月14日
發明者吳舢紅 申請人:上海巴耳思新材料科技有限公司