硬質涂層及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種硬質涂層及其制備方法。此硬質涂層包括多層低應力層及多層高應力層，這些低應力層及高應力層交替形成于金屬基體上。本發明專利技術還提供一種硬質涂層的制備方法。本發明專利技術硬質涂層及其制備方法可改善硬質涂層內的殘余應力分布，在保持硬質涂層的高硬度及高耐磨性的前提下，提高其膜-基結合強度。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及表面處理
，尤其是涉及一種。
技術介紹
硬質涂層作為一種重要的防護涂層，以其優異的摩擦學性能和抗腐蝕性能被廣泛應用于切削刀具和齒輪等機件的表面的防護。而電弧離子鍍技術在工業上是一種典型的物理氣相沉積技術，憑借其高離化率、高沉積速率及操作簡單等優點，被廣泛應用于硬質涂層的制備工藝。然而，現有的沉積態涂層內一般都存在平均值高達數兆帕(GPa)甚至十幾GPa的殘余壓應力，且應力沿層深分布極其不均勻。涂層殘余應力的大小及其分布情況會直接影響膜-基結合強度與涂層使用壽命，甚至在殘余應力過大時還將直接導致涂層防護作用失效。
技術實現思路
基于此，有必要提供一種，能夠改善應力分布，從而在保持硬質涂層的硬度及耐磨性能的前提下，提高其膜-基結合力。一種硬質涂層，其附著于金屬基體上，硬質涂層包括多層低應力層及多層高應力層，這些低應力層及高應力層交替形成于金屬基體上。本專利技術還提供一種硬質涂層的制備方法，其包括以下步驟提供金屬基體；將金屬基體置于真空室；以及在真空室內通入氮氣，用電弧離子鍍的工藝在高低交替改變氮氣偏壓的條件下于金屬基體上沉積多層低應力層與多層高應力層。本專利技術通過低應力層及高應力層交替沉積于金屬基體上，使得硬質涂層內的應力平均值下降，且應力沿層深分布更均勻，有效的改善了硬質涂層內的殘余應力，在不降低硬質涂層的硬度及耐磨能力的前提下，提高了其膜-基結合性能。附圖說明圖I為本專利技術實施例的硬質涂層的結構示意圖。圖2為本專利技術實施例的硬質涂層制備方法的流程示意圖。圖3為圖2所示方法中不同偏壓的條件下硬質涂層中殘余應力沿層深的分布曲線。圖4為圖2所示方法中不同氮氣分壓的條件下硬質涂層中殘余應力沿層深的分布曲線。圖5為不同偏壓的條件下制備TiAlN涂層的沉積工藝，其中循環工藝涂層為圖2所示方法制備。圖6為不同氮氣分壓的條件下制備TiAlN涂層的沉積工藝，其中循環工藝涂層為圖2所示方法制備。圖7為不同氮氣分壓的條件下制備TiAlN涂層的力學性能，其中循環工藝涂層為圖2所示方法制備。具體實施例方式下面將結合附圖及實施例對本專利技術的作進一步詳細說明。圖I為本專利技術實施例的硬質涂層的結構示意圖。請參閱圖1，硬質涂層14包括多層低應力層142及多層高應力層144，多層低應力層142及多層高應力層144交替形成于金屬基體12上。具體在本實施例中，金屬基體12可與低應力層142相接觸，低應力層142上直接沉積有高應力層144，而高應力層144上又直接沉積有低應力層142，如此低應力層142與高應力層144之間交替層疊。而遠離金屬基體12的外表面可由高應力層144形成。硬質涂層14具有交替的多層低應力層142及多層高應力層144的結構，當硬質涂層14近表面的高應力層144 (高硬度層)被磨損后，其下方臨近的低應力層142 (低硬度的應力緩沖層)將迅速被磨損消耗，此時硬質涂層14的近表面露出另一高應力層144，其將又起到保護金屬基體12免遭磨損的作用，不會因硬質涂層14近表面的高應力層144被磨損而降低涂層的硬度及保護效果，從而不僅有效地提高膜-基結合強度，而且可以使涂層整體硬度保持在較高水平。詳細來說，低應力層142或高應力層144的厚度可在O. I I. 5微米之間(但需要指出的是，在選擇厚度時還應注意調整低應力層與高應力層厚度的比例，以使應力得到有效釋放);硬質涂層14的總厚度可為2 30微米。金屬基體12可為lCrl8Ni9Ti不銹鋼、合金鋼、高速鋼或硬質合金；低應力層142及/或高應力層144可由包含氮化鈦或氮鋁化鈦的材料制備。特別地，低應力層142的微觀結構相對疏松(其可通過低偏壓沉積形成)或氮含量相對較低(氮化物是硬質相，硬質相少合金相多有利于應力釋放，當氮氣與氬氣(N2+Ar)的總壓不變，其可通過低氮氣分壓沉積實現)，有利于應力釋放；高應力層144的微觀結構相對緊密(其可通過高偏壓沉積形成)或氮含量相對較高(沉積時，總壓不變，關閉氬氣，只通氮氣于真空室)，有利于提高涂層硬度。圖2為本專利技術實施例的硬質涂層制備方法的流程示意圖。請同時參見圖I與圖2，本專利技術實施例的硬質涂層制備方法包括以下步驟。SI，提供金屬基體12。其中，金屬基體12可為lCrl8Ni9Ti不銹鋼、合金鋼、高速鋼或硬質合金。S2，將金屬基體12表面清洗后，置于真空室。S3，在真空室內通入氮氣，用電弧離子鍍的工藝在高低交替改變氮氣分壓(或偏壓)的條件下于金屬基體12上沉積多層低應力層142與多層高應力層144。 步驟S3中，在真空室內通入氮氣，通過升高或降低氮氣分壓(或偏壓)，對金屬基體進行電弧離子鍍，即低氮氣分壓下(或低偏壓下)沉積多層低應力層，在高氮氣分壓下(或高偏壓下)沉積多層高應力層。其中，改變氮氣分壓時，氮氣與氬氣總壓強鎖定為8. OXIO-lPa，弧電流可約為60A，弧電壓可為17 19V，鎖定占空比為30%的脈沖偏壓-200V ;當改變偏壓時，氮氣壓強鎖定為8.0X10-lPa，弧電流可約為60A，弧電壓可為17 19V。形成每層低應力層的氮氣分壓為O. 2Pa (或偏壓為-100V)，形成每層高應力層的高氮氣壓強為O. SPa (或偏壓為-300V)，形成每層低應力層沉積時間可為2 30分鐘，形成每層高應力層沉積時間可為2 30分鐘，并且由于低應力層的沉積率較高，因此形成每層低應力層的沉積時間可小于形成每層高應力層的沉積時間。除此之外，為進一步提升金屬基體12與硬質涂層14間的結合力，在步驟S3之前還可包括轟擊金屬基體12以使金屬基體12表面原子活化。其中，轟擊時的偏壓可為-1000V,轟擊的時間可為2分鐘,轟擊時通入的IS氣壓強可為O. 3Pa O. 6Pa。圖3為圖2所示方法中不同偏壓條件下的硬質涂層中殘余應力沿層深分布曲線。圖4為圖2所示方法中不同氮氣分壓的條件下硬質涂層中殘余應力沿層深的分布曲線。如圖3所示，對于一系列試樣，采用不同的沉積工藝，包括恒定偏壓-100V，-200V, -300V工藝與循環偏壓工藝和梯度增加偏壓工藝；或如圖4所示，恒定分壓為O. 8Pa，0. 5Pa，0. 2Pa的工藝與循環分壓工藝及梯度增或減分壓工藝；對于厚度相近的涂層樣品，采用不同工藝后，涂層中殘余應力沿層深分布，發生很大改變。在相應的層深，低偏壓(或低分壓)制備的涂層應力最小，而高偏壓(或高分壓)制備的涂層應力最大。由此可見，本專利技術實施例通過周期性改變沉積偏壓/分壓可有效調節硬質涂層14殘余應力分布，而采用循環偏壓工藝制備的硬質涂層14，其應力沿層深分布會更加均勻。本專利技術的制備方法通過周期性改變氮氣分壓(或沉積偏壓)，以有效調節涂層的殘余應力分布，使制得的硬質涂層內的應力平均值下降，且應力沿層深分布更均勻，從而有效的提高了涂層與基體的結合強度，并保證了硬質涂層整體的硬度及耐磨性能，對金屬基體的磨損起到更好的保護作用。以下結合具體實施例來進一步說明本專利技術硬質涂層的制備方法。實施例I 采用lCrl8Ni9Ti作為金屬基體，電弧離子鍍的靶材為鈦鋁合金(TiAl)(其原子配比為50:50)。首先，對lCrl8Ni9Ti的金屬基體進行超聲清洗(丙酮，酒精，蒸餾水)，并將金屬基體裝入真空室，其中，預真空達到6. 0X10-3Pa，加熱至100本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙升升，
申請(專利權)人：深圳職業技術學院，
類型：發明
國別省市：