专利名称：具有硬质涂层的被覆件及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种具有硬质涂层的被覆件及该被覆件的制备方法。
背景技术：
镀膜工艺在工业领域有着广泛的应用，其中，TiN薄膜镀覆在刀具或模具表面能大幅提高刀具和模具的使用寿命。然而，随着金属切削加工朝高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命、高精度和良好的切削控制性方面发展，对表面涂层的性能提出了更高的要求。TiN涂层在硬度、耐磨损、抗氧化烧蚀性等方面已经渐渐不能满足进一步的需求。在TiN涂层的基础上加入Cr、Al等金属元素可以进一步提高TiN涂层的硬度和抗氧化性，其中TiAlN涂层的硬度和高温抗氧化能力均较TiN涂层有很大提高，成为目前最常用的刀具涂层材料。但是，普通的TiAlN涂层HV硬度为30士5GPa，抗氧化温度为800°C，已经不能很好的满足不锈钢等难加工材料的高速切削。提高TiAlN涂层中Al的含量可以提高涂层的硬度和抗氧化性能，但是过高的Al含量会导致涂层的力学性能急剧下降。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种具有较高硬度、耐磨损的涂层的被覆件。另外，还有必要提供一种上述被覆件的制备方法。一种具有硬质涂层的被覆件，包括基体及形成于该基体上的结合层，该被覆件还包括形成于该结合层上的一复合层，该复合层包括多层碳化钛层和多层TiHfCxNY层， TiHfCxNY层中0 < X彡1，0 < Y彡1，所述多层碳化钛层和多层TiHfCxNy层交替排布。—种具有硬质涂层的被覆件的制备方法，包括以下步骤提供一待镀覆的基体；将该待镀覆的基体放入一多靶磁控溅射设备的转架上，在该多靶磁控溅射设备内中心对称设置钛靶和钛铪合金靶；在基体上溅射一结合层；在结合层上交替溅射多层碳化钛层和多层TiHfCxNY层，以形成一复合层，其中 TiHfCxNy层中0 < X彡1，0 < Y彡1，该多层碳化钛层和该多层TiHfCxNy层交替排布。上述被覆件包括由碳化钛层和TiHfCxNY层交替排布而形成的复合层，每一碳化钛层和TiHfCxNY层的厚度都是纳米级别(即几个至几十个原子厚度)。由于碳化钛层和 TiHfCxNy层的晶格参数等不相同，因此在碳化钛层和TiHfCxNY层界面上存在着原子的错配， 而原子错配是位错滑移的巨大障碍，会导致物质硬化(即超晶格硬化效应)，从而使得复合层整体具有较高的硬度。
图1为本发明较佳实施例的被覆件的剖视示意图；图2为用以制作图1中被覆件的镀膜机的俯视示意图。
主要元件符号说明多靶磁控溅射设备100被覆件10基体12结合层14复合层16TiC 层162TiHfCxNy 层164真空镀膜室20轨迹21钛靶22钛铪合金靶 2具体实施例方式请参阅图1，本发明较佳实施例具有硬质涂层的被覆件10包括基体12、形成于基体12上的结合层14及形成于结合层14上的复合层16。该基体12的材质可以为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、不锈钢、镁合金及铝
口巫寸ο该结合层14为一钛金属层，其厚度为0.05 0.2 μ m，优选为0. 1 μ m。该结合层 14用于提高复合层16与基体12之间的结合力。该复合层16包括多层碳化钛(TiC)层162和多层碳氮钛铪(TiHfCxNY)层164，其中TiHf CxNy层164中的0<X彡1，0<Y<1，所述多层TiC层162和多层TiHf CxNy层164 交替排布。每一 TiC层162和与其相邻的TiHfCxNY层164的厚度总和大约为5 lOnm，该复合层16的总厚度大约为2 5微米。其中，TiC层162与结合层14直接结合。该被覆件10可以为各类切削刀具、精密量具、模具、电子产品外壳及各种建筑装饰件等。上述被覆件10的制备方法，主要包括如下步骤对基体12进行清洗。该步骤可将基体12放入盛装有乙醇或丙酮溶液的超声波清洗器中进行震动清洗，以除去基体12表面的杂质和油污等，清洗完毕后烘干备用。请一并参阅图2，将经上述清洗的基体12放入一多靶磁控溅射设备100的真空镀膜室20中并使其沿轨迹21转动，在该多靶磁控溅射设备100内中心对称设置有钛靶22和钛(Ti)铪(Hf)合金靶23，该钛靶22的数量可为2个，且设置为对靶结构。同理的，该钛铪合金靶23的数量也可为2个，亦设置为对靶结构。其中钛铪合金靶23中铪的质量百分比含量为10% 20%。溅射清洗钛靶22和钛铪合金靶23。该溅射清洗的具体操作及工艺参数为对多靶磁控溅射设备100的真空镀膜室20抽真空至本底真空度为3. OX 10_3Pa，通入氩气为离子源气体，用挡板(图未示)将基体12与靶材隔开，防止基体12被溅镀。开启钛靶22和钛铪合金靶23电源，调节基体12上的偏压至-100 -200V，溅射清洗钛靶22和钛铪合金靶23的时间为5 20分钟。该步骤是利用离子源轰击靶材，使钛靶22和钛铪合金靶23CN 102534487 A表层原子溅射出来，以除去靶材表层可能存在的氧化物等杂质。清洗靶材的同时应避免溅射出来的靶材原子沉积到基体12上，因此用挡板将基体12与靶材隔开。清洗结束后，关闭钛靶22和钛铪合金靶23。在基体12上溅射该结合层14。调节氩气流量为200 300sCCm(标准状态毫升/ 分钟)，调节基体12的偏压至-150 -250V ；开启钛靶22，钛靶22的功率为2000 4000W， 对基体12溅射2分钟左右，以形成结合层14。该结合层14为钛金属层。在结合层14上交替溅射多层TiC层162和多层TiHfCxNY层164，以形成该复合层16。开启多靶磁控溅射设备100的测控溅射系统，调节氩气流量为200 300sCCm， 同时向真空镀膜室20通入甲烷气体，甲烷气体的流量为50 150sCCm，钛靶22的功率为3000-4000W，以沉积一层TiC层162，镀膜时间为2分钟；关闭钛靶22电源并开启钛铪合金靶23的电源，钛铪合金靶23的功率为4000 6000W，向真空镀膜室20通入氮气，氮气的流量为20 200SCCm，甲烷气体的流量为50 150sCCm，调节基体12的偏压至-150 -300V，以沉积一层TiHfCxNY层164，镀膜时间为2分钟；设置所述转架的转速为 1 3rpm(revolution per minute，转 / 分钟)，重复以上沉积 TiC 层 162 及 TiHfCxNY层 164 的步骤，从而在基体12上交替沉积TiC层162和TiHfCxNY层164，总的镀膜时间约为30分钟 2小时。下面通过实施例来对本发明进行具体说明。实施例1本实施例所使用的基体12的材质为316不锈钢。溅射清洗钛靶22和钛铪合金靶23 氩气流量为500SCCm，基体12的偏压为-100V， 清洗时间为5min。溅镀结合层14 氩气流量为200SCCm，钛靶的功率为2000w，基体12的偏压为-200V，镀膜时间为aiiin。该结合层14的厚度为0. 04 μ m。溅镀TiC层162 氩气流量为200sccm，甲烷气体流量为50sccm，基体12的偏压为-150V，钛靶的功率为3000W。溅镀TiHfCxNY层164 甲烷气体的流量为50sCCm，氮气流量为30sCCm，钛铪合金靶 23的功率为4000W。最终获得的TiHfCxNy层164中X的值为0. 2，Y的值为0. 8。设置转架的转速为lrmp，重复以上沉积TiC层162及TiHfCxNY层164的步骤。总的溅镀复合层16的时间为30分钟。实施例2本实施例所使用的基体12的材质为硬质合金。溅射清洗钛靶22和钛铪合金靶23 氩气流量为500sCCm，基体12的偏压为-200V， 清洗时间为20min。溅镀结合层14 氩气流量为300SCCm，钛靶的功率为4000w，基体12的偏压为-250V，镀膜时间为lOmin。该结合层14的厚度为0. ISym0溅镀TiC层162 氩气流量为300SCCm，甲烷气体气流量为150sCCm，基体12的偏压为-300V，钛靶的功率为4000W。溅镀TiHfCxNY层164 甲烷气体气流量为150sccm，氮气流量为200sccm，钛铪合金靶23的功率为6000W。最终获得的TiHfCxNY层164中X的值为0. 4，Y的值为0. 9。
设置转架的转速为3rmp，重复以上沉积TiC层162及TiHfCxNY层164的步骤。总的溅镀复合层16的时间为2小时。实施例3本实施例所使用的基体12的材质为高速钢。溅射清洗钛靶22和钛铪合金靶23 氩气流量为500sCCm，基体12的偏压为-150V， 清洗时间为IOmin。溅镀结合层14 氩气流量为250SCCm，钛靶的功率为3000w，基体12的偏压为-200V，镀膜时间为6分钟。该结合层14的厚度为0. 08 μ m。溅镀TiC层162 氩气流量为250SCCm，甲烷气体气流量为lOOsccm，基体12的偏压为200V，钛靶的功率为3500W。溅镀TiHfCxNY层164 甲烷气体气流量为lOOsccm，氮气流量为120sccm，钛铪合金靶23的功率为5000W。最终获得的TiHfCxNy层164中X的值为0. 6，Y的值为1。设置转架的转速为2rmp，重复以上沉积TiC层162及TiHfCxNY层164的步骤。总的溅镀复合层16的时间为60分钟。将上述制得的被覆件10进行高温抗氧化测试和耐磨性测试，具体测试方法及结果如下(1)高温抗氧化测试测试仪器为管式热处理炉，测试条件为升温速率为10°C /min，热处理温度为 820°C，保温时间为Ih。测试结果显示，由本发明实施例1、2、3所制备的被覆件10经830°C热处理Ih后均未见氧化、脱落等不良。(2)耐磨性测试线性耐磨耗测试仪，测试条件为载荷为1kg，行程长度为1. 5inch,磨耗速率为25 次 /min。测试结果显示，由本发明实施例1、2、3所制备的被覆件10经磨耗150次均未见脱落。本发明的被覆件10包括由TiC层162和TiHfCxNY层164交替排布而形成多层硬质薄膜的复合层16，每一 TiC层162和TiHfCxNY层164的厚度都是纳米级别(即几个至几十个原子厚度)。由于TiC层和TiHfCxNy层的晶格参数等不相同，因此在TiC层和TiHfCxNy 层界面上存在着原子的错配，而原子错配是位错滑移的巨大障碍，会导致物质硬化(即超晶格硬化效应)，从而使得复合层16整体具有较高的硬度。可以理解，上述被覆件10的制备方法还可包括溅射该结合层14前，在所述多靶磁控溅射设备内对基体12进行离子清洗。
权利要求
1.一种具有硬质涂层的被覆件，包括基体及形成于该基体上的结合层，其特征在于 该被覆件还包括形成于该结合层上的一复合层，该复合层包括多层碳化钛层和TiHfCxNY 层，TiHfCxNY层中0 < X彡1，0 < Y彡1，所述多层碳化钛层和多层TiHfCxNy层交替排布。
2.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于其中一碳化钛层与该结合层直接结合。
3.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于所述每一碳化钛层和与其相邻的每一 TiHfCxNY层的厚度均为5 10纳米。
4.如权利要求3所述的被覆件，其特征在于该复合层的总厚度为2 5微米。
5.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于该结合层为一钛金属层。
6.如权利要求1所述的被覆件，其特征在于该基体为高速钢、硬质合金、金属陶瓷、陶瓷、不锈钢、镁合金及铝合金中的一种。
7.一种具有硬质涂层的被覆件的制备方法，包括以下步骤提供一待镀覆的基体；将该待镀覆的基体放入一多靶磁控溅射设备的转架上，在该多靶磁控溅射设备内中心对称设置钛靶和钛铪合金靶；在基体上溅射一结合层；在结合层上交替溅射多层碳化钛层和多层TiHfCxNY层，以形成一复合层，其中TiHfCxNY 层中0<X彡1，0<Y< 1，该多层碳化钛层和该多层TiHf CxNy层交替排布。
8.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于溅射所述复合层的步骤为开启钛靶电源，以氩气为离子源气体，甲烷为反应气体，甲烷气体的流量为50 150sCCm，基体加偏压-150 -250V，钛靶的功率为3000-4000W，以沉积一层碳化钛层，镀膜时间为2分钟；关闭钛靶电源并开启钛铪合金靶电源，钛铪合金靶的功率为4000 6000W，通入反应气体氮气，氮气的流量为20 200SCCm，甲烷气体的流量为50 150sCCm，调节基体的偏压至-150 -300V，以沉积一层TiHfCxNY层，镀膜时间为2分钟；设置转架的转速为1 3rpm， 重复以上沉积碳化钛层及TiHfCxNY层的步骤，从而在基体上交替沉积碳化钛层和TiHfCxNY 层，溅射复合层的总的时间为30分钟 2小时。
9.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于其中一碳化钛层与该结合层直接结合。
10.如权利要求7所述的被覆件的制备方法，其特征在于该结合层为一钛金属层。
全文摘要
一种具有硬质涂层的被覆件，包括基体及形成于该基体上的结合层，该被覆件还包括形成于该结合层上的一复合层，该复合层包括多层碳化钛层和多层TiHfCXNY层，TiHfCXNY层中0＜X≤1，0＜Y≤1，所述多层碳化钛层和多层TiHfCXNY层交替排布。本发明还提供一种上述被覆件的制备方法。本发明的被覆件上的涂层硬度高，具有较好的耐磨性能。
文档编号C23C14/06GK102534487SQ20101061442
公开日2012年7月4日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者张新倍, 彭立全, 蒋焕梧, 陈文荣, 陈正士 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司