一种加工在切削刀具上的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种加工在切削刀具上的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，其是由顺次排序的第一金属亚层、第一陶瓷亚层、第二金属亚层、第二陶瓷亚层、直至第m金属亚层和第m陶瓷亚层组成；每一陶瓷亚层由多层调制周期陶瓷层构成，每一调制周期陶瓷层由陶瓷TiAlN层和陶瓷CrN层构成；每一金属亚层由多层调制周期金属层构成，每一调制周期金属层由金属TiAl层和金属Cr层构成。本实用新型金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的硬度为28～32GPa，抗氧化温度为900～1000℃，划痕法结合力为60～100牛顿。
【专利说明】—种加工在切削刀具上的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种可以用于切削刀具表面强化的薄膜，更特别地说，是指一种金属陶瓷复合结构的纳米多层膜。
【背景技术】
[0002]切削工具是机械制造中用于切削加工的工具。由于机械制造中使用的刀具基本上都用于切削金属材料，所以“刀具” 一词一般就理解为金属切削刀具。随着制造业发展，高速、干式切削技术对刀具涂层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数等力学性能外，还要求涂层具有更高的抗高温氧化性。
[0003]物理气相沉积(Physical Vapor Deposit1n, PVD)技术处理温度低,对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向，工业发达国家自上世纪九十年代初就开始致力于硬质合金刀具PVD涂层技术的研究，至九十年代中期取得了突破性进展，PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金立铣刀、钻头、阶梯钻、油孔钻、铰刀、丝锥、可转位铣刀片、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。
[0004]PVD涂层技术的新进展，显示了涂层技术对提高刀具性能的巨大潜力和独特优势，可不断开发出新的高性能涂层，涂层成分由第一代的TIN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN, TiAlCN, TiN-AlN, CNx 等多元复合涂层。
[0005]纳米多层膜由两种或两种以上不同材料相互交替形成，每相邻两层形成一个调制周期，周期在纳米尺度，故被称为纳米多层膜。在一定周期尺度范围内，多层膜的强度(或硬度)高于多层膜中各单层的强度平均值，而且随周期的减小而增大，表现出明显的强化效应，当多层膜的周期降低到约为几个纳米的临界值时，多层膜的强度不再随周期的减小而增大，而是达到饱和。
[0006]例如，TiAlN膜硬度为26Gpa，CrN膜硬度为20Gpa，而TiAlN/CrN膜纳米多层膜硬度达到32Gpa。
[0007]TiAlN/CrN膜是一种常用的纳米多层膜，具有高的硬度和良好的抗氧化性能，但也存在内应力高，韧性较差的缺点，这也是各类高硬度的纳米多层膜普遍存在的问题。高硬度纳米多层膜主要用于切削刀具的表面强化，在切削过程中，受力很大的刀刃部位的膜层会因为内应力高，韧性较差的发生崩裂和剥落而失去强化效果。
【发明内容】
[0008]为解决上述问题，本实用新型提出一种具有金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，这种金属陶瓷复合结构可以地降低高硬度纳米多层膜的内应力并提高其韧性，可以有效地提高膜层的抗崩裂和抗剥落性能。本实用新型的纳米多层膜是在TiAlN/CrN纳米多层膜的基础上通过复合金属亚层得到一种具有更优异性能的金属亚层[TiAl/Cr]间隔在陶瓷亚层[TiAlN/CrN]的纳米多层膜。
[0009]本实用新型涉及的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，是由氮化物陶瓷的TiAlN/CrN纳米多层膜亚层和金属(/金属间化合物)亚层的TiAl/Cr纳米多层膜亚层交替组成。本实用新型在陶瓷膜亚层中引入金属膜亚层可以有效地降低陶瓷膜层的内应力，提高金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的韧性。
[0010]本实用新型的一种金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，其是由顺次排序的第一金属亚层、第一陶瓷亚层、第二金属亚层、第二陶瓷亚层、直至第m金属亚层和第m陶瓷亚层组成；每一金属亚层由多层调制周期金属层构成，每一调制周期金属层由金属TiAl层和金属Cr层构成；每一陶瓷亚层由多层调制周期陶瓷层构成，每一调制周期陶瓷层由陶瓷TiAlN层和陶瓷CrN层构成。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本实用新型的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的剖面层结构示意图。
[0012]图2是本实用新型的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜中金属亚层的结构示意图。
[0013]图3是本实用新型的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜中陶瓷亚层的结构示意图。
[0014]图4是实施例1制得的具有五个亚层周期的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的剖面层结构示意图。
[0015]图4A是实施例1制得的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的TEM照片。
【具体实施方式】
[0016]下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详细说明。
[0017]参见图1所示，本实用新型涉及的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜是由顺次排序的第一金属亚层、第一陶瓷亚层、第二金属亚层、第二陶瓷亚层、直至第m金属亚层和第m陶瓷亚层组成。
[0018]参见图2所示，在本实用新型中，每一金属亚层由多层调制周期金属层构成，每一调制周期金属层由金属TiAl层和金属Cr层构成。每一调制周期金属层(f c+d)的厚度为I?10nm。具体地，每一金属亚层由具有周期型结构的TiAl层/Cr层/TiAl层/CrN层/..../TiAl层/Cr层纳米多层膜构成。
[0019]参见图3所示，在本实用新型中，每一陶瓷亚层由多层调制周期陶瓷层构成，每一调制周期陶瓷层由陶瓷TiAlN层和陶瓷CrN层构成。每一调制周期陶瓷层(eMW= a+b)的厚度为2?20nm。具体地，每一陶瓷亚层由具有周期型结构的TiAlN层/CrN层/TiAlN层/CrN层/……/TiAlN层/CrN层纳米多层膜构成。
[0020]在本实用新型中，制作在切削刀具为基体上的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的总厚度记为H，每一金属亚层的厚度记为f，每一陶瓷亚层的厚度记为e，则H = (I?8) μ m，e: f = 3?15:1, H = m(e+f), m表示亚层层数。
[0021]参见图2所示，在本实用新型中，每一金属亚层的厚度记为f，每一调制周期金属层的厚度记为f/gjg，金属TiAl层的厚度记为C，金属Cr层的厚度记为d，则f = x (c+d)=xXf X表示调制周期金属层的层数，y: X = 2?10: I。金属TiAl层的厚度c与金属Cr层的厚度d的比例关系为c: d = I?4: I, d = (0.5?2)nm。
[0022]参见图3所示，在本实用新型中，每一陶瓷亚层的厚度记为e，每一调制周期陶瓷层的厚度记为e貞_，陶瓷TiAlN层的厚度记为a，陶瓷CrN层的厚度记为b，则e = y (a+b)=yX6周期，Y表不调制周期陶瓷层的层数，y.X = 2?10.I。陶瓷TiAlN层的厚度a与陶瓷CrN层的厚度b的比例关系为a: b = l?4: l,b=(l?4)nm。
[0023]在本实用新型中，在设置了物理气相沉积的交替层数X或者y后，以及金属Cr层的厚度d和CrN层的厚度b后，通过控制物理气相沉积过程中的参数，则能够制作出不同层数、不同厚度的周期亚层结构的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜。
[0024]在本实用新型中，使用磁控溅射设备，应用磁控溅射镀膜工艺制作金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，在基体上先沉积第一金属亚层，然后顺着沉积第一陶瓷亚层、第二金属亚层、第二陶瓷亚层、……、第m金属亚层和第m陶瓷亚层；这样交替沉积到达所需厚度，形成金属陶瓷复合结构的纳米多层膜。
[0025]选取靶材:分别选取质量百分比纯度为99.9%的TiAl (Al含量25?66wt% )和质量百分比纯度为99.9%的Cr为靶材，以YG6硬质合金块为基体。
[0026](A)将基体和靶材置于磁控溅射设备的真空室中，对真空室抽真空至本底真空度为 2 X KT3Pa ；
[0027](B)第一金属亚层的制备
[0028]通入质量纯度为99.999%的氩气作为工作气体，氩气分压为0.2?0.3Pa(即溅射工作气压为0.2?0.3Pa)，对基体施加50?200V的负偏压，基体温度为180?220°C ；TiAl靶溅射功率为60?80W，Cr靶溅射功率40?60W ；
[0029]开启溅射TiAl靶10?30秒后停止，然后开启溅射Cr靶4?6秒后停止，制得第一层调制周期TiAl/Cr金属层；
[0030]继续在开启溅射TiAl靶10?30秒后停止，然后开启溅射Cr靶4?6秒后停止，制得第二层调制周期TiAl/Cr金属层；
[0031]继续在开启溅射TiAl靶10?30秒后停止，然后开启溅射Cr靶4?6秒后停止，制得第X层调制周期TiAl/Cr金属层；完成第一金属亚层的制备；
[0032]在本实用新型中，制作金属亚层时要关闭氮气。靶材在短时间内进行溅射，有利于膜的沉积。
[0033](C)第一陶瓷亚层的制备
[0034]通入质量纯度为99.999%的氮气，氮气分压为0.06?0.1Pa ；
[0035]通入质量纯度为99.999%的氩气，氩气分压为0.2?0.3Pa ；
[0036]溅射工作气压为0.2?0.3Pa，对基体施加50?200V的负偏压，基体温度为180?2200C ；TiAl靶溅射功率为60?80W, Cr靶溅射功率40?60W ；
[0037]开启溅射TiAl靶10?30秒后停止，然后开启溅射Cr靶4?6秒后停止，制得第一层调制周期TiAlN/CrN陶瓷层；
[0038]继续在开启溅射TiAl靶10?30秒后停止，然后开启溅射Cr靶4?6秒后停止，制得第二层调制周期TiAlN/CrN陶瓷层；
[0039]继续在开启溅射TiAl靶10?30秒后停止，然后开启溅射Cr靶4?6秒后停止，制得第I层调制周期TiAlN/CrN陶瓷层；完成第一陶瓷亚层的制备；
[0040]在本实用新型中，制作陶瓷亚层时要同时打开氮气和氩气，利用氮气的渗入形成陶瓷膜的沉积。
[0041](D)重复(B)?(C)步骤，直到磁控溅射制膜达到所需厚度，得到金属陶瓷复合结构的纳米多层膜。
[0042]在本实用新型中，采用短时间溅射-交替沉积进行氮化物陶瓷亚层和金属亚层的沉积，沉积后的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜具有膜致密性，其韧性可以改善切削刀具的高速和强力切削的性能，能够防止膜层在高受力条件下的脆性崩裂和剥落。
[0043]实施例1
[0044]参见图4所示，制备陶瓷亚层厚度与金属亚层厚度比例为7: I的金属陶瓷复合结构纳米多层膜。
[0045]选取靶材:分别选取质量百分比纯度为99.9%的TiAl (Al含量45wt%)和质量百分比纯度为99.9%的Cr为靶材，以YG6硬质合金块为基体。
[0046](A)将基体和靶材置于磁控溅射设备的真空室中，对真空室抽真空至本底真空度为 2 X KT3Pa ；
[0047](B)第一金属亚层的制备
[0048]通入质量纯度为99.999%的氩气作为工作气体，氩气分压为0.24Pa(即溅射时的工作气压也是0.24Pa)，溅射气体总流量为20SCCm，对基体施加100V的负偏压，基体温度为1800C ；TiAl靶溅射功率为60W，Cr靶溅射功率40W ；
[0049]开启溅射TiAl靶15秒后停止(沉积厚度在c = 3nm)，然后开启溅射Cr靶4秒后停止(沉积厚度在d = Inm);继续在开启溅射TiAl靶15秒后停止，然后开启溅射Cr靶4秒后停止；……；交替沉积X = 20次，累计沉积厚度达到f = 80nm，则完成第一金属亚层的制备；
[0050](C)第一陶瓷亚层的制备
[0051]通入质量纯度为99.999%的氮气，氮气分压为0.06Pa ；
[0052]通入质量纯度为99.999%的氩气，氩气分压为0.3Pa ；
[0053]溅射工作气压为0.3Pa，对基体施加100V的负偏压，基体温度为180°C ；TiAl靶溅射功率为60W，Cr靶溅射功率40W ；
[0054]开启溅射TiAl靶15秒后停止(沉积厚度在a = 5nm)，然后开启溅射Cr靶4秒后停止(沉积厚度在b = 2nm);继续在开启溅射TiAl靶15秒后停止，然后开启溅射Cr靶4秒后停止；……；交替沉积I = 80次，累计沉积厚度达到e = 560nm,则完成第一陶瓷亚层的制备；
[0055](D)重复⑶?(C)步骤，即交替沉积m = 8次，直到磁控溅射制膜达到所需厚度H = 5120nm,从而得到金属陶瓷复合结构的纳米多层膜。
[0056]参见图4A所示的金属陶瓷复合结构纳米多层膜的TEM照片，图中是对部分层进行的扫描，从图中可知，采用本实用新型的方法制作的纳米多层膜具有金属亚层、陶瓷亚层结构。图中也观察到膜是较为致密的。
[0057]对实施例1制得的具有8个亚层交替的金属陶瓷复合结构纳米多层膜进行性能测试，薄膜硬度为31GPa，抗氧化温度为970°C，划痕法结合力为60牛顿。
[0058]实施例2
[0059]制备陶瓷亚层厚度与金属亚层厚度比例为3: I的金属陶瓷复合结构纳米多层膜。
[0060]选取靶材:分别选取质量百分比纯度为99.9%的TiAl (Al含量45wt%)和质量百分比纯度为99.9%的Cr为靶材，以YG6硬质合金块为基体。
[0061](A)将基体和靶材置于磁控溅射设备的真空室中，对真空室抽真空至本底真空度为 2 X KT3Pa ；
[0062](B)第一金属亚层的制备
[0063]通入质量纯度为99.999%的氩气作为工作气体，氩气分压为0.3Pa(即溅射时的工作气压也是0.3Pa)，溅射气体总流量为20SCCm，对基体施加120V的负偏压，基体温度为2000C ；TiAl靶溅射功率为80W，Cr靶溅射功率40W ；
[0064]开启溅射TiAl靶30秒后停止(沉积厚度在c = 8nm)，然后开启溅射Cr靶4秒后停止(沉积厚度在d = 2nm);继续在开启溅射TiAl靶30秒后停止，然后开启溅射Cr靶4
秒后停止；......；交替沉积X = 5次,累计沉积厚度达到f = 50nm,则完成第一金属亚层的制备；
[0065](C)第一陶瓷亚层的制备
[0066]通入质量纯度为99.999%的氮气，氮气分压为0.1Pa ；
[0067]通入质量纯度为99.999%的氩气，氩气分压为0.3Pa ；
[0068]溅射工作气压为0.3Pa，对基体施加120V的负偏压，基体温度为200°C ；TiAl靶溅射功率为80W，Cr靶溅射功率40W ；
[0069]开启溅射TiAl靶30秒后停止(沉积厚度在a = 15nm)，然后开启溅射Cr靶4秒后停止(沉积厚度在b = 4nm);继续在开启溅射TiAl靶30秒后停止，然后开启溅射Cr靶4秒后停止；……；交替沉积y = 10次，累计沉积厚度达到e = 190nm,则完成第一陶瓷亚层的制备；
[0070](D)重复⑶?(C)步骤，即交替沉积m = 5次，直到磁控溅射制膜达到所需厚度H = 1200nm,从而得到金属陶瓷复合结构的纳米多层膜。
[0071]对实施例2制得的具有5个亚层交替的金属陶瓷复合结构纳米多层膜进行性能测试，薄膜硬度为29GPa，抗氧化温度为915°C，划痕法结合力为100牛顿。
[0072]实施例3
[0073]参见图4所示，制备陶瓷亚层厚度与金属亚层厚度比例为14: I的金属陶瓷复合结构纳米多层膜。
[0074]选取靶材:分别选取质量百分比纯度为99.9%的TiAl (Al含量30wt% )和质量百分比纯度为99.9%的Cr为靶材，以YG6硬质合金块为基体。
[0075](A)将基体和靶材置于磁控溅射设备的真空室中，对真空室抽真空至本底真空度为 2 X KT3Pa ；
[0076](B)第一金属亚层的制备
[0077]通入质量纯度为99.999%的氩气作为工作气体，氨气分压为0.24Pa(即溅射时的工作气压也是0.24Pa)，溅射气体总流量为20SCCm，对基体施加100V的负偏压，基体温度为1800C ；TiAl靶溅射功率为60W，Cr靶溅射功率60W ；
[0078]开启溅射TiAl靶15秒后停止(沉积厚度在c = 2nm)，然后开启溅射Cr靶4秒后停止(沉积厚度在d = 0.5nm);继续在开启溅射TiAl靶15秒后停止，然后开启溅射Cr靶4秒后停止；……;交替沉积X = 10次，累计沉积厚度达到f = 25nm,则完成第一金属亚层的制备；
[0079](C)第一陶瓷亚层的制备
[0080]通入质量纯度为99.999%的氮气，氮气分压为0.06Pa ；
[0081]通入质量纯度为99.999%的氩气，氩气分压为0.3Pa ；
[0082]溅射工作气压为0.3Pa，对基体施加100V的负偏压，基体温度为180°C ；TiAl靶溅射功率为60W，Cr靶溅射功率60W ；
[0083]开启溅射TiAl靶15秒后停止(沉积厚度在a = 7nm)，然后开启溅射Cr靶4秒后停止(沉积厚度在b = 3nm);继续在开启溅射TiAl靶15秒后停止，然后开启溅射Cr靶4秒后停止；……；交替沉积I = 35次，累计沉积厚度达到e = 350nm,则完成第一陶瓷亚层的制备；
[0084](D)重复⑶?(C)步骤，即交替沉积m = 10次，直到磁控溅射制膜达到所需厚度H = 3750nm,从而得到金属陶瓷复合结构的纳米多层膜。
[0085]对实施例3制得的具有10个亚层交替的金属陶瓷复合结构纳米多层膜进行性能测试，薄膜硬度为30.5GPa，抗氧化温度为9450°C，划痕法结合力为85牛顿。
[0086]对比实施例1
[0087]工艺参数与实施例1中的制备陶瓷亚层沉积相同，沉积厚度为560nm乘8等于4480nm。测试性能为薄膜硬度为32GPa，抗氧化温度为910°C，划痕法结合力为40牛顿。
[0088]本实用新型具有[TiAlN/CrN]/[TiAl/Cr]的纳米多层膜比单纯的陶瓷纳米多层膜的结合力提高，金属亚层的厚度比例越大，结合力提高幅度越大，膜层的结合力与其韧性和内应力有密切关系，说明金属亚层的厚度比例越大的引入可以有效地改善膜层的韧性，降低内应力。提高膜层的韧性可以改善切削刀具的高速和强力切削的性能，能够防止膜层在高受力条件下的脆性崩裂和剥落。
[0089]本实用新型涉及的一种超硬金属陶瓷复合结构纳米多层膜，该纳米多层膜是在传统的TiAlN/CrN氮化物陶瓷纳米多层膜中间周期性插入一定厚度的TiAl/Cr金属纳米多层膜亚层构成，从而构成新的用于在切削刀具表面强化的膜层体系。在常规的TiAlN/CrN氮化物陶瓷纳米多层膜中插入TiAl/Cr金属纳米多层膜亚层，可以改善纳米多层膜的韧性，降低内应力。金属纳米多层膜亚层的厚度比例越高，膜层的整体韧性越好，内应力也会随之降低，膜层的硬度也会随之降低。但在较小厚度变化的陶瓷亚层厚度与金属亚层厚度，其膜层的硬度没有明显下降，但膜层的韧性可以明显改善。提高膜层的韧性可以改善涂层刀具的高速和强力切削的性能，防止在膜层在高受力条件下的脆性崩裂和剥落。
[0090]以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的【具体实施方式】仅限于此，对于本实用新型所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本实用新型由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
【权利要求】
1.一种加工在切削刀具上的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，其特征在于:所述金属陶瓷复合结构的纳米多层膜由顺次排序的第一金属亚层、第一陶瓷亚层、第二金属亚层、第二陶瓷亚层、直至第m金属亚层和第m陶瓷亚层组成；每一金属亚层由多层调制周期金属层构成，每一调制周期金属层由金属TiAl层和金属Cr层构成；每一陶瓷亚层由多层调制周期陶瓷层构成，每一调制周期陶瓷层由陶瓷TiAlN层和陶瓷CrN层构成。
2.根据权利要求1所述的加工在切削刀具上的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，其特征在于:所述的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜的总厚度H = (I?8) μ m。
3.根据权利要求1所述的加工在切削刀具上的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，其特征在于:陶瓷亚层和金属亚层的厚度比例范围为3?15:1。
4.根据权利要求1所述的加工在切削刀具上的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，其特征在于:每一调制周期金属层；^胃《的厚度为I?10nm。
5.根据权利要求1所述的加工在切削刀具上的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，其特征在于:每一调制周期陶瓷层的厚度为2?20nm。
6.根据权利要求1所述的加工在切削刀具上的金属陶瓷复合结构的纳米多层膜，其特征在于:纳米多层膜的硬度为28?32GPa，抗氧化温度为900?1000°C，划痕法结合力为60?100牛顿。
【文档编号】B32B15/04GK204054801SQ201420381922
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年7月11日 优先权日:2014年7月11日
【发明者】陶冶, 刘培英 申请人:陶冶