CN102605367A

CN102605367A - 硬质薄膜、具备硬质薄膜的被覆件、及该被覆件的制作方法

Info

Publication number: CN102605367A
Application number: CN2011100257303A
Authority: CN
Inventors: 张新倍; 陈文荣; 蒋焕梧; 陈正士; 彭立全
Original assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Hongfujin Precision Industry Shenzhen Co Ltd; Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开一种硬质薄膜、具备硬质薄膜的被覆件、及被覆件的制作方法，该硬质薄膜包括交替排布的氮化钛层与氮化铝层，所述硬质薄膜中钛的质量百分含量在46-46.6％，铝的质量百分含量在25.6-26.2％，氮的质量百分含量在27.2-28.4％。所述被覆件包括一基材及形成在基材上的所述硬质薄膜。被覆件的制作方法包括将基材置入镀膜机中交替沉积氮化钛层与氮化铝层，然后置入热处理炉内进行氮化热处理，以获得被覆件。该具有氮化钛层与氮化铝层形成的硬质薄膜的被覆件，被覆件的硬度与耐磨性均极大的提高，且制备方法简单。

Description

硬质薄膜、具备硬质薄膜的被覆件、及该被覆件的制作方法

技术领域

本发明是关于一种硬质薄膜、具备该硬质薄膜的被覆件、及该被覆件的制作方法。

背景技术

硬质薄膜广泛地应用于硬质合金、高速钢、以及陶瓷等基材的表面以制作出高硬度及高耐磨性的被覆件。现有的硬质薄膜主要有氮化钛薄膜、氮化铝薄膜以及氮化钛/氮化铝复合薄膜等。其中，氮化钛/氮化铝复合薄膜通过氮化钛层与氮化铝层的纳米级粒子相互扩散，较单一的氮化钛薄膜、氮化铝薄膜具有更高的硬度，通常的氮化钛/氮化铝复合薄膜硬度可达40Gpa。

工业上一般通过物理气相沉积(PVD)方法在基材上交替沉积氮化钛层与氮化铝层以在基材上形成氮化钛/氮化铝复合薄膜，然该种氮化钛/氮化铝复合薄膜中，钛和铝难以与氮完全反应生成化学剂量比的氮化钛或氮化铝，在该复合薄膜中实际含有很多其他相，如Ti₂N、A1₂N、以及Ti、Al等。在该复合薄膜中，通常钛的质量百分含量为47.2％-48.4％，铝的质量百分含量为26.8％-27.4％，氮的质量百分含量为24.2-26％，氮的含量相对偏低，难以较好地提高硬质薄膜整体的硬度和耐磨性能。

工业上亦有将基材(如铝、钛等)通过渗氮处理来提高基材表面的硬度，该渗氮处理方法主要为辉光法渗氮。辉光法渗氮是将基材放入镀膜室内，在一定温度下，利用辉光放电的原理将氮原子电离后直接打在基材表面，以与基材表层的元素反应生成硬度较大的氮化物，如此增加基材表面的硬度与耐磨性能。然而，该种渗氮处理氮的注入量有限，因此对基材硬度的提高有限，对于基材表面已形成有氮化物硬质层的情况，想要通过该种渗氮方法来进一步提高该硬质层的硬度已难以实现。

发明内容

鉴于上述内容，有必要提供一种高硬度、高耐磨损性的硬质薄膜。

另外，还有必要提供一种具备上述硬质薄膜的被覆件。

此外，有必要提供一种上述被覆件的制作方法。

一种硬质薄膜，包括交替排布的氮化钛层与氮化铝层，所述硬质薄膜中钛的质量百分含量在46-46.6％，铝的质量百分含量在25.6-26.2％，氮的质量百分含量在27.2-28.4％。

一种被覆件，包括基材及形成于基材上的硬质薄膜，该硬质薄膜中钛的质量百分含量在46-46.6％，铝的质量百分含量在25.6-26.2％，氮的质量百分含量在27.2-28.4％。

一种被覆件的制作方法，包括以下步骤：

提供一基材；

将基材置入镀膜机中交替沉积氮化钛层与氮化铝层；

接着将沉积有氮化钛层与氮化铝层的基材放入热处理炉中进行氮化热处理，制得充分氮化的硬质薄膜层，相应地制得所述被覆件，硬质薄膜中钛的质量百分含量在46-46.6％，铝的质量百分含量在25.6-26.2％，氮的质量百分含量在27.2-28.4％。

本发明硬质薄膜由氮化钛层与氮化铝层交替沉积以及交替沉积后氮化热处理制成，氮化钛层与氮化铝层交替沉积形成的薄膜相较于单一的氮化钛层或氮化铝层薄膜，通过氮化钛层与氮化铝层的纳米级粒子相互扩散，使得硬质薄膜具备更高的硬度及耐磨性能；通过氮化热处理处理，提高了氮元素的质量百分含量，可使薄膜上未反应的及氮化未完全的金属粒子完全氮化，硬质薄膜的硬度进一步提高，可从通常情况下的40Gpa提高到46-50GPa。相应地，具备该硬质薄膜的被覆件具备优良的硬度和耐磨性能。制作被覆件中，通过先将基材进行交替沉积氮化钛层与氮化铝层，然后将形成硬质薄膜的基材放入热处理炉中进行氮化热处理，制作工艺简单。

附图说明

图1是本发明较佳实施例具备硬质薄膜的被覆件的剖视示意图；

图2是图1所示被覆件的制作方法流程图；

图3是图1被覆件的制作过程中所用镀膜机的结构示意图。

主要元件符号说明

被覆件 10

基材 11

硬质薄膜 12

氮化钛层 121

氮化铝层 122

镀膜机 100

镀膜室20

真空泵30

轨迹21

第一靶材 22

第二靶材 23

气源通道 24

具体实施方式

请参阅图1，本发明较佳实施例被覆件10，包括基材11、及形成在基材11上的硬质薄膜12。所述被覆件10可为刀具，该基材11的材质可为硬质合金、高速钢等。

所述硬质薄膜12通过PVD镀膜及氮化热处理形成在该基材11的表面，该硬质薄膜12的硬度在46-50Gp a之间。该硬质薄膜12包括若干氮化铝(AlN)层121与若干氮化钛(TiN)层122，该若干AlN层121与若干TiN层122交替排布，其中与基材11接触的一层为氮化钛层122，该氮化钛层122热膨胀系数接近基材11，在温度变化时不会产生很大的内应力，便于与基材11结合稳定。外露于被覆件10表面的一层可为氮化铝层121或氮化钛层122。每一氮化钛层122与每一氮化铝层121的厚度均在3～15纳米之间，该硬质薄膜12的整体厚度在1～6微米之间。该硬质薄膜12中，钛的质量百分含量为46-46.6％，铝的质量百分含量为25.6-26.2％，氮的质量百分含量为27.2-28.4％。

请参阅图2，该被覆件10的制作方法包括以下步骤：

S1：提供一基材11，本实施例中基材11的材质为高速钢，将该基材11进行超声波清洗，以除去基材11表面的油污，如采用无水乙醇或丙酮对基材11进行超声波清洗。

S2：将基材11烘干后置入镀膜机中进行PVD镀膜。结合参阅图3，提供一镀膜机100，镀膜机100包括一镀膜室20及连接在镀膜室20的一真空泵30，真空泵30用以对镀膜室20抽真空。该镀膜室20内设有转架及挡板(未图示)、二第一靶材22及二第二靶材23。转架带动基材11沿圆形轨迹21公转，基材11在沿轨迹21公转时亦自转。挡板用以在清洗靶材时隔离溅射的粒子溅射至基材11，其通过电动控制自动打开或关闭。二第一靶材22与二第二靶材23关于轨迹21的中心对称设置，且二第一靶材22相对地设置在轨迹21的内外侧，二第二靶材23相对地设置在轨迹21的内外侧。每一第一靶材22及每一第二靶材23的两端均设有气源通道24，气体经由该气源通道24进入镀膜室20轰击相应的靶材的表面，以使靶材表面溅射出粒子。当基材11穿过二第一靶材22或二第二靶材23之间时，靶材上溅射出的粒子将溅镀到基材11表面。

基材11表面镀膜过程如下：(1)提供第一靶材22与第二靶材23，并清洗各靶材表面。第一靶材22为钛靶，第二靶材23为铝靶。清洗过程如下，将钛靶和铝靶分别置于镀膜机100的溅射源上，抽真空至3.0×10^-3Pa，通入流量为500cm³/s的高纯氩气，调节偏压在-250～-350V，开启钛靶和铝靶，功率均为3000～5000w，氩气轰击钛靶和铝靶的表面，如此将钛靶和铝靶表面清洗干净。在清洗时，转架不转动，挡板开启以将溅射的粒子与基材11隔离。(2)在基材11表面交替沉积氮化钛层122与氮化铝层121。调节氩气流量为300cm³/s，通入流量为70～130cm³/s的氮气；调节钛靶及铝靶功率均为3000～4000w，开启转架使基材11转动，调节转架速度为2-5r/min(转/分钟)，沉积时间为30～120min。

如此，将在基材11表面交替沉积纳米量级的氮化钛层122与氮化铝层121，每一氮化钛层122与每一氮化铝层121的厚度均为3～15纳米之间。其中，与基材11结合的一层为氮化钛层122。氮化钛层122与氮化铝层121交替沉积后，整体层厚为1～2.5微米之间。此时，该氮化钛层122中含有TiN、Ti₂N及未反应的Ti等成分，该氮化铝层121中含有AlN、Al₂N、及未反应的Al等成分。镀膜结束后，关闭靶材电流、偏压、气流等，待镀膜室20内温降至室温后，取出形成有交替沉积的氮化钛层122与氮化铝层121的基材11。

氮化铝层121与氮化钛层122的交替沉积可提高硬质薄膜12的硬度的原理如下：在材料学中，一种金属或合金硬度是否大，从微观上来看，主要取决于它内部的位错是否易于滑移。一般来说，位错的滑移导致金属内部粒子层面的滑移，位错的多次滑移累积起来，在宏观层面上就表现为金属的塑性变形。越容易发生塑性变形的物质，其延展性越好，硬度越低；反之，越不容易发生塑性变形的物质，其延展性越差，硬度越大。因此，物质的硬度关键取决于物质内部位错发生滑移的难易程度。在氮化铝层121与氮化钛层122形成的纳米多层硬质薄膜12中，氮化铝层121和氮化钛层122中每一层的厚度都是纳米级别(即几个至几十个粒子厚度)。由于氮化钛和氮化铝的晶格参数等不相同，因此在氮化钛和氮化铝界面上，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)；此外，由于氮化铝层121和氮化钛层122的厚度均很薄，因此其内部的位错仅需要滑移数个原子就可以达到界面上，被晶格错配阻挡并固定在界面处，从而导致位错难以再次滑动，使得物质的硬度大大增加，从而大大提升硬质薄膜12的整体硬度。

S3：将表面交替沉积有氮化钛层122与氮化铝层121的基材11放入热处理炉中进行氮化热处理，以使未氮化或未完全氮化的钛与铝完全氮化。

该种氮化热处理方法是将待处理被覆件放入热处理炉中，通入氮气，将热处理炉中的空气排出，形成氮气气氛，然后加热到一定温度后，氮气与硬质薄膜中未反应的金属或未反应完全的金属继续反应生成标准化学计量比的相。

本氮化热处理具体实施过程，将镀过硬质薄膜12的基材11放入密封好的热处理炉中，向炉子中持续不断的通入氮气，将热处理炉中的空气全部排出，形成氮气的气氛，开始加热。

实施例1

当制备的硬质薄膜厚度为1-1.5微米时，在热处理炉与外界大气连通的大气压环境下，加热热处理炉内温度范围在515至525摄氏度之间，(如果在与大气隔离，热处理炉在密封的只有氮气的环境下，则温度范围为533至546度之间)，热处理时间为5-10分钟，在该种温度与时间下，氮气与硬质薄膜中未反应的金属或未反应完全的金属反应，充分地生成TiN以及AlN。且此时原子超晶格效应最明显，从而硬质薄膜的硬度可大幅提高。

在该氮化热处理过程中对热处理温度的范围和时间要求很高，由于在氮化过程中热处理炉中腔体内充满氮气，在一定热处理温度下(通常情况下，对高速钢为500-800度，对硬质合金为700度以上)活性氮原子会与基材表面原子(甚至表面一定厚度以下区域)反应生成大量氮化物，在温度过高时，这些氮化物聚集长大，形成针状或棒状脆性相，容易导致基材表面虽硬但极脆，进而导致表面耐磨性能的大幅下降。同时，由于基材的结晶和再结晶温度与热处理温度范围均有重迭，处理不慎会导致基材机械性能的大幅下降，得不偿失。如果加热时间过长，会大幅降低硬质薄膜的硬度，因为粒子进一步的互扩散会逐渐模糊层与层之间的界面，从而使得层与层之间的超晶格效应消失，导致硬质薄膜的硬度大幅下降。

实施例2

当制备的硬质薄膜厚度为1.5-3微米时，大气压环境下，温度范围为515至525度之间，热处理时间为15-20分钟。在该种温度与时间下，氮气与硬质薄膜中未反应的钛、铝或未反应完全的钛、铝(即Ti₂N、Al₂N等)反应，充分地生成TiN以及AlN。且此时原子超晶格效应明显，从而硬质薄膜的硬度可大幅提高。

实施例3

当制备的硬质薄膜厚度为3-6微米时，大气压环境下，温度范围在515至525摄氏度之间，热处理时间为20-25分钟。在该种温度与时间下，氮气与硬质薄膜中未反应的金属或未反应完全的金属反应，充分地生成TiN以及AlN。且此时原子超晶格效应明显，从而硬质薄膜的硬度可大幅提高。

然后关闭热处理炉电源，并继续通入氮气，直至炉温降至室温，如此，未氮化或未完全氮化的钛与铝将完全氮化，获得所述硬质薄膜12，相应地，制得所述被覆件10。该过程中，由于氮化钛层122与氮化铝层121交替沉积的薄膜整体较薄且薄膜中各粒子之间具有原子间隙，从而氮气不仅可以与表层的氮化钛层122或氮化铝层121的粒子反应，还可进一步透过原子间隙与其他氮化钛层122或氮化铝层121的粒子反应，以使未氮化或未完全氮化的钛与铝完全氮化，充分地生成氮化钛与氮化铝粒子，将大大提高硬质薄膜12整体的硬度与耐磨性能。另外，在氮化过程中，纳米级别的氮化钛层122与氮化铝层121在较高的温度下，粒子亦会发生微量的互扩散，亦使得氮化钛层122与氮化铝层121在结合界面处的结合力进一步增加。

本硬质薄膜12由氮化钛层122与氮化铝层121交替沉积以及交替沉积后氮化热处理制成，相较于单一的氮化钛层或氮化铝层薄膜，该交替沉积的氮化钛层122与氮化铝层121由于超晶格硬化效应，使得硬质薄膜具备更高的硬度及耐磨性能；更进一步地，通过后氮化热处理处理，提高了氮元素的质量百分含量，可使薄膜上未反应的及氮化未完全的金属粒子完全氮化，硬质薄膜的硬度进一步提高，可从通常情况下的40Gpa提高到46-50GPa。相应地，具备该硬质薄膜12的被覆件10具备优良的硬度和耐磨性能。另外，在氮化过程中，氮化铝层121、氮化钛层122以及基材11之间粒子发生互扩散，从而使得氮化钛层122与氮化铝层121在结合面处的结合力大大增加，以及氮化钛层122与基材11之间的结合力增强。

Claims

1.一种硬质薄膜，包括交替排布的氮化钛层与氮化铝层，其特征在于：所述硬质薄膜中钛的质量百分含量在46-46.6％，铝的质量百分含量在25.6-26.2％，氮的质量百分含量在27.2-28.4％。

2.如权利要求1所述的硬质薄膜，其特征在于：每一所述氮化钛层与每一所述氮化铝层的厚度均在3～15纳米之间，该硬质薄膜的整体厚度在1～6微米之间。

3.如权利要求1所述的硬质薄膜，其特征在于：所述硬质薄膜的硬度在46-50Gpa之间。

4.一种被覆件，包括基材及形成于基材上的硬质薄膜，其特征在于：所述硬质薄膜中钛的质量百分含量在46-46.6％，铝的质量百分含量在25.6-26.2％，氮的质量百分含量在27.2-28.4％。

5.如权利要求3所述的被覆件，其特征在于：所述基材为高速钢，硬质薄膜中与基材接触的为氮化钛层。

6.如权利要求3所述的被覆件，其特征在于：每一所述氮化钛层与每一所述氮化铝层的厚度均在3～15纳米之间，该硬质薄膜的整体厚度在1～6微米之间。

7.一种被覆件的制作方法，包括以下步骤：

提供一基材；

通过溅射镀膜方式于该基材上交替沉积氮化钛层与氮化铝层；

将沉积有氮化钛层与氮化铝层的基材放入热处理炉中进行氮化热处理，在基材上制得硬质薄膜层，硬质薄膜中钛的质量百分含量在46-46.6％，铝的质量百分含量在25.6-26.2％，氮的质量百分含量在27.2-28.4％。

8.如权利要求7所述的被覆件的制作方法，其特征在于：所述硬质薄膜厚度为1-1.5微米，大气压环境，热处理炉中温度范围在515至525摄氏度之间，热处理时间为5-10分钟。

9.如权利要求7所述的被覆件的制作方法，其特征在于：硬质薄膜厚度为1.5-3微米，大气压环境，热处理炉中温度范围为515至525摄氏度之间，热处理时间为15-20分钟。

10.如权利要求7所述的被覆件的制作方法，其特征在于：硬质薄膜厚度为3-6微米，温度范围为515至525度之间，大气压环境下，热处理时间为20-25分钟。