一種金屬陶瓷復合結構的納米多層膜及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種可以用于切削刀具表面強化的薄膜，更特別地說，是指一種金屬陶瓷復合結構的納米多層膜。
【背景技術】
[0002]切削工具是機械制造中用于切削加工的工具。由于機械制造中使用的刀具基本上都用于切削金屬材料，所以“刀具” 一詞一般就理解為金屬切削刀具。隨著制造業發展，高速、干式切削技術對刀具涂層的性能提出了更高的要求，除了要求具有更高的硬度和低摩擦系數等力學性能外，還要求涂層具有更高的抗高溫氧化性。
[0003]物理氣相沉積(Physical Vapor Deposit1n，PVD)技術處理溫度低，對環境無不利影響，符合現代綠色制造的發展方向，工業發達國家自上世紀九十年代初就開始致力于硬質合金刀具PVD涂層技術的研宄，至九十年代中期取得了突破性進展，PVD涂層技術已普遍應用于硬質合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。
[0004]PVD涂層技術的新進展，顯示了涂層技術對提高刀具性能的巨大潛力和獨特優勢，可不斷開發出新的高性能涂層，涂層成分由第一代的TIN發展為TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN, TiAlCN, TiN-AlN, CNx 等多元復合涂層。
[0005]納米多層膜由兩種或兩種以上不同材料相互交替形成，每相鄰兩層形成一個調制周期，周期在納米尺度，故被稱為納米多層膜。在一定周期尺度范圍內，多層膜的強度(或硬度)高于多層膜中各單層的強度平均值，而且隨周期的減小而增大，表現出明顯的強化效應，當多層膜的周期降低到約為幾個納米的臨界值時，多層膜的強度不再隨周期的減小而增大，而是達到飽和。
[0006]例如，TiAlN膜硬度為26Gpa，CrN膜硬度為20Gpa，而TiAlN/CrN膜納米多層膜硬度達到32Gpa。
[0007]TiAlN/CrN膜是一種常用的納米多層膜，具有高的硬度和良好的抗氧化性能，但也存在內應力高，韌性較差的缺點，這也是各類高硬度的納米多層膜普遍存在的問題。高硬度納米多層膜主要用于切削刀具的表面強化，在切削過程中，受力很大的刀刃部位的膜層會因為內應力高，韌性較差的發生崩裂和剝落而失去強化效果。
【發明內容】
[0008]為解決上述問題，本發明提出一種具有金屬陶瓷復合結構的納米多層膜，這種金屬陶瓷復合結構可以地降低高硬度納米多層膜的內應力并提高其韌性，可以有效地提高膜層的抗崩裂和抗剝落性能。本發明的納米多層膜是在TiAlN/CrN納米多層膜的基礎上通過復合金屬亞層得到一種具有更優異性能的金屬亞層[TiAl/Cr]間隔在陶瓷亞層[TiAlN/CrN]的納米多層膜。
[0009]本發明涉及的金屬陶瓷復合結構的納米多層膜，是由氮化物陶瓷的TiAlN/CrN納米多層膜亞層和金屬(/金屬間化合物)亞層的TiAl/Cr納米多層膜亞層交替組成。本發明在陶瓷膜亞層中引入金屬膜亞層可以有效地降低陶瓷膜層的內應力，提高金屬陶瓷復合結構的納米多層膜的韌性。
[0010]本發明的一種金屬陶瓷復合結構的納米多層膜，其是由順次排序的第一金屬亞層、第一陶瓷亞層、第二金屬亞層、第二陶瓷亞層、直至第m金屬亞層和第m陶瓷亞層組成；每一金屬亞層由多層調制周期金屬層構成，每一調制周期金屬層由金屬TiAl層和金屬Cr層構成；每一陶瓷亞層由多層調制周期陶瓷層構成，每一調制周期陶瓷層由陶瓷TiAlN層和陶瓷CrN層構成。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明的金屬陶瓷復合結構的納米多層膜的剖面層結構示意圖。
[0012]圖2是本發明的金屬陶瓷復合結構的納米多層膜中金屬亞層的結構示意圖。
[0013]圖3是本發明的金屬陶瓷復合結構的納米多層膜中陶瓷亞層的結構示意圖。
[0014]圖4是實施例1制得的具有五個亞層周期的金屬陶瓷復合結構的納米多層膜的剖面層結構示意圖。
[0015]圖4A是實施例1制得的金屬陶瓷復合結構的納米多層膜的??Μ照片。
【具體實施方式】
[0016]下面將結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
[0017]參見圖1所示，本發明涉及的金屬陶瓷復合結構的納米多層膜是由順次排序的第一金屬亞層、第一陶瓷亞層、第二金屬亞層、第二陶瓷亞層、直至第m金屬亞層和第m陶瓷亞層組成。
[0018]參見圖2所示，在本發明中，每一金屬亞層由多層調制周期金屬層構成，每一調制周期金屬層由金屬TiAl層和金屬Cr層構成。每一調制周期金屬層fjgjia = c+d)的厚度為I?10nm。具體地，每一金屬亞層由具有周期型結構的TiAl層/Cr層/TiAl層/CrN層/……/TiAl層/Cr層納米多層膜構成。
[0019]參見圖3所示，在本發明中，每一陶瓷亞層由多層調制周期陶瓷層構成，每一調制周期陶瓷層由陶瓷TiAlN層和陶瓷CrN層構成。每一調制周期陶瓷層e周期(e周期=a+b)的厚度為2?20nm。具體地，每一陶瓷亞層由具有周期型結構的TiAlN層/CrN層/TiAlN層/CrN層/……/TiAlN層/CrN層納米多層膜構成。
[0020]在本發明中，制作在切削刀具為基體上的金屬陶瓷復合結構的納米多層膜的總厚度記為H，每一金屬亞層的厚度記為f，每一陶瓷亞層的厚度記為e，則H= (I?8) μπι，e: f = 3?15: 1，H = m(e+f)，m表示亞層層數。
[0021 ] 參見圖2所示，在本發明中，每一金屬亞層的厚度記為f，每一調制周期金屬層的厚度記為:??,金屬TiAl層的厚度記為C，金屬Cr層的厚度記為d，則f = x(c+d) = xXf周期，X表示調制周期金屬層的層數，y: X = 2?10: 1金屬TiAl層的厚度c與金屬Cr層的厚度d的比例關系為c: d = I?4: 1，d = (0.5?2)nm。
[0022]參見圖3所示，在本發明中，每一陶瓷亞層的厚度記為e，每一調制周期陶瓷層的厚度記為，陶瓷TiAlN層的厚度記為a，陶瓷CrN層的厚度記為b，則e = y (a+b) = yXe周期，y表示調制周期陶瓷層的層數，y: X = 2?10: I。陶瓷TiAlN層的厚度a與陶瓷CrN層的厚度b的比例關系為a: b=l?4: l，b=(l?4)nm。
[0023]在本發明中，在設置了物理氣相沉積的交替層數X或者y后，以及金屬Cr層的厚度d和CrN層的厚度b后，通過控制物理氣相沉積過程中的參數，則能夠制作出不同層數、不同厚度的周期亞層結構的金屬陶瓷復合結構的納米多層膜。
[0024]在本發明中，使用磁控濺射設備，應用磁控濺射鍍膜工藝制作金屬陶瓷復合結構的納米多層膜，在基體上先沉積第一金屬亞層，然后順著沉積第一陶瓷亞層、第二金屬亞層、第二陶瓷亞層、……、第m金屬亞層和第m陶瓷亞層；這樣交替沉積到達所需厚度，形成金屬陶瓷復合結構的納米多層膜。
[0025]選取靶材:分別選取質量百分比純度為99.9%的TiAl (Al含量25?66wt% )和質量百分比純度為99.9%的Cr為靶材，以YG6硬質合金塊為基體。
[0026](A)將基體和靶材置于磁控濺射設備的真空室中，對真空室抽真空至本底真空度為 2X KT3Pa ；
[0027](B)第一金屬亞層的制備
[0028]通入質量純度為99.999%的氬氣作為工作氣體，氬氣分壓為0.2?0.3Pa(即濺射工作氣壓為0.2?0.3Pa)，對基體施加50?200V的負偏壓，基體溫度為180?220°C ；TiAl靶濺射功率為60?80W，Cr靶濺射功率40?60W ；
[0029]開啟濺射TiAl靶10?30秒后停止，然后開啟濺射Cr靶4?6秒后停止，制得第一層調制周期TiAl/Cr金屬層；
[0030]繼續在開啟濺射TiAl靶10?30秒后停止，然后開啟濺射Cr靶4?6秒后停止，制得第二層調制周期TiAl/Cr金屬層；
[0031]繼續在開啟濺射TiAl靶10?30秒后停止