CN1587435A - Ti－AL－O－N硬质复合涂层及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种Ti－Al－O－N硬质复合涂层及其制备方法，用于陶瓷涂层领域。涂层成分范围为18～36at％Ti，17～32at％Al，4～24at％O，27～41at％N，涂层以晶体态存在。在金属或陶瓷材料的基体上采用Ti－Al合金靶或Ti－Al复合靶材并与Ar、N₂和O₂的混合气体进行反应溅射制取。本发明在传统的Ti－Al－N体系涂层基础上加入了O元素，使该种涂层不但具有优良的高温抗氧化性，而且具有高的硬度；其硬度高于32GPa。本发明作为高速切削刀具、干式切削刀具及其在高温条件下服役零件的耐磨工作涂层具有很高的应用价值。

Description

Ti-Al-O-N硬质复合涂层及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种Ti-Al-O-N硬质复合涂层及其制备方法，用于材料类中的陶瓷涂层技术领域。

背景技术

切削速度≥100m/min的高速切削及不加冷却液的干式切削技术由于机械加工效率高，环境污染少，正日益成为切削技术发展的主流，但这些切削技术对刀具涂层的性能提出了更高要求。不仅要求刀具涂层具有硬度高，摩擦系数小等基本性能，而且要有较强的高温抗氧化能力。现有技术中金属材料工模具的气相沉积表面镀覆强化层通常采用氮化物、碳化物或者碳氮化物的涂层，例如TiN、(Ti，Al)N、TiC、Ti(CN)等。其中TiN涂层因具有良好的抗磨减摩性能，在工业生产中得到广泛的应用，其硬度HV25±2GPa，氧化温度约为500℃；Ti(CN)涂层硬度高达HV40GPa，抗氧化温度却只有400℃；目前最佳的TiAlN涂层硬度为HV35±5GPa，抗氧化温度可达800℃，但在高速切削和干式切削等应用领域仍不能满足工模具苛刻服役条件的需要。目前迫切需要具有较强高温抗氧化性并同时具有高硬度的涂层材料组成体系及其制备技术以满足机械加工业技术进步的要求。

经对现有技术的文献检索发现，美国专利US6565957，US6638571，US5766782和中国专利95108982.X等)中将具有优良的高温抗氧化能力的氧化物(如Al₂O₃)和其它硬质材料，如TiN，TiC，TiCN和(Ti，Al)N等一起使用形成复合涂层或多层结构的涂层。尽管上述含氧化物涂层在很大程度上提高了涂层的高温抗氧化性，但是涂层的硬度却有所降低。提高涂层高温抗氧化性的途径是在TiN、(Ti，Al)N等涂层中加入O，从而形成Ti-O-N和Ti-Al-O-N复合涂层，利用在涂层中形成Ti-O化合物或/和Al-O化合物提高涂层的高温抗氧化性。K.Tonshoff等就报道了采用三种离子镀技术，在基片温度为400℃以上制备这种涂层的方法，结果表明所得的涂层在干式切削应用中具有良好的效果(参见：K.Tonshoff，B.Karpuschewski，A.Mohlfeid，T.Leyendecker，G.Erken，H.G.Fuβ，R.Wenke，Performance ofoxygen-rich TiAlON coatings in dry cutting applications/富氧TiAlON涂层的干式切削性能，Surface and Coatings Technology，108-109，1998，535-542)。但是他们制备的TiAlON涂层的硬度没有得到明显提高，其硬度仅约为20GPa，不但远低于(Ti，Al)N涂层的硬度(35GPa)，而且比TiN的硬度(25GPa)也有一定幅度降低，从而使其在刀具涂层上的应用受到限制。

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种Ti-Al-O-N硬质复合涂层及其制备方法。使其选用Ti-Al-N涂层体系，并在其中加入O元素制备出Ti-Al-O-N涂层，达到具有高硬度和高抗氧化性能力。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的Ti-Al-O-N硬质复合涂层组分原子百分比为：18～36at％Ti，17～32at％Al，4～24at％O，27～41at％N。涂层总厚度为lμm～5μm。涂层以晶体态存在。

本发明Ti-Al-O-N硬质复合涂层的制备方法具体如下：

在金属或陶瓷材料的基体上采用Ti-Al合金靶或Ti-Al复合靶材并与Ar、N₂和O₂的混合气体进行反应溅射制取。

所述的溅射制取，首先将金属或陶瓷的基体表面作镜面抛光处理，然后采用射频或直流反应溅射的方法制取复合涂层，其中靶材Ti-Al合金靶或与合金靶相当成分比的Ti-Al镶嵌复合靶。

所述的Ti-Al合金靶成分为30～70at％Al，余为Ti。

所述的Ti-Al镶嵌复合靶由纯Ti和纯Al块通过镶嵌制成。两种材料的靶面比例以可在溅射中获得与上述合金靶相当成分的薄膜为准。

所述的反应溅射，其阴极采用直流阴极或射频阴极。阴极的溅射功率密度为2～10W/cm²。

所述的溅射制取，反应溅射气体为Ar、N₂和O₂的混合气体，其中Ar分压P_Ar＝1.6～6.0×10^-1Pa，N₂分压 $P_{N_2}=1.0~4.0\×{10}^{-2}\mathrm{Pa},$ O₂分压 $P_{O_2}=0.5~6.0\×{10}^{-3}\mathrm{Pa},$ 基片材料的温度为室温～300℃。

本发明具有实质性特点和显著进步，可广泛用于金属工模具的表面硬化处理，该涂层在具有氧化物陶瓷固有的高温抗氧化性的同时，获得了高硬度高模量的优异力学性能。本发明所得涂层的硬度可达32GPa以上，最高硬度为35Gpa，最高弹性模量为419GPa，在高速切削刀具、高温条件下服役的模具以及其它耐磨工件上具有很大的应用价值。本发明制备涂层的效率较高，控制简便，可大大提高工业化大规模生产的实用性和效率。

具体实施方式

实施例1

工艺参数为P_Ar＝1.6×10^-1Pa， $P_{N_2}=4.0\×{10}^{-2}\mathrm{Pa},$ $P_{O_2}=6.0\×{10}^{-3}\mathrm{Pa},$ 溅射功率为200W，基片温度为室温。Ti-Al-O-N涂层组分原子百分比为，Ti：18.8at％，Al：27.7at％，O：18.2at％，N：35.3at％时，硬度为32.2GPa，弹性模量为416GPa。

实施例2

工艺参数为P_Ar＝6.0×10^-1Pa， $P_{N_2}=4.0\×{10}^{-2}\mathrm{Pa},$ $P_{O_2}=6.0\×{10}^{-3}\mathrm{Pa},$ 溅射功率为200W，基片温度为室温。Ti-Al-O-N涂层组分原子百分比为Ti：23.3at％，Al：24.9at％，O：18.4at％，N：33.4at％时，硬度为35.0GPa，弹性模量为371GPa。

实施例3

工艺参数为P_Ar＝6.0×10^-1Pa， $P_{N_2}=1.0\×{10}^{-2}\mathrm{Pa},$ $P_{O_2}=0.5\×{10}^{-3}\mathrm{Pa},$ 溅射功率为200W，基片温度为300℃。Ti-Al-O-N涂层组分原子百分比为Ti：25.2at％，Al：31.3at％，O：4.5at％，N：39.0at％时，硬度为34.9GPa，弹性模量为408GPa。

实施例4

工艺参数为P_Ar＝1.6×10^-1Pa， $P_{N_2}=1.0\×{10}^{-2}\mathrm{Pa},$ $P_{O_2}=0.5\×{10}^{-3}\mathrm{Pa},$ 溅射功率为200W，基片温度为300℃。Ti-Al-O-N涂层组分原子百分比为Ti：19.7at％，Al：32.6at％，O：14.0at％，N：33.7at％时，硬度为35.3GPa，弹性模量为419GPa。

Claims (9)

1、一种Ti-Al-O-N硬质复合涂层，其特征在于，涂层组分原子百分比为：18～36at％Ti，17～32at％Al，4～24at％O，27～41at％N。

2、根据权利要求1所述Ti-Al-O-N硬质复合涂层，其特征是，所述的涂层总厚度为1μm～3μm。

3、根据权利要求1所述Ti-Al-O-N硬质复合涂层，其特征是，所述的涂层以晶体态存在。

4、一种Ti-Al-O-N硬质复合涂层的制备方法，其特征在于，在金属或陶瓷材料的基体上采用Ti-Al合金靶或Ti-Al复合靶材并与Ar、N₂和O₂的混合气体进行反应溅射制取，制取的涂层组分原子百分比为：18～36at％Ti，17～32at％Al，4～24at％O，27～41at％N。

5、根据权利要求4所述Ti-Al-O-N硬质复合涂层的制备方法，其特征是，所述的所述的反应溅射，其阴极采用直流阴极或射频阴极，阴极的溅射功率密度为2～10W/cm²。

6、根据权利要求4所述Ti-Al-O-N硬质复合涂层的制备方法，其特征是，所述的溅射制取，首先将金属或陶瓷的基体表面作镜面抛光处理，然后采用射频或直流反应溅射的方法制取复合涂层，其中靶材Ti-Al合金靶或与合金靶相当成分比的Ti-Al镶嵌复合靶。

7、根据权利要求4或者6所述Ti-Al-O-N硬质复合涂层的制备方法，其特征是，所述的溅射制取，反应溅射气体为Ar、N₂和O₂的混合气体，其中Ar分压P_Ar＝1.6～6.0×10^-1Pa，N₂分压P_N2＝1.0～4.0×10^-2Pa，O₂分压P_O2＝0.5～6.0×10^-3Pa，基片材料的温度为室温～300℃。

8、根据权利要求6所述Ti-Al-O-N硬质复合涂层的制备方法，其特征是，所述的Ti-Al合金靶成分为30～70at％Al，余为Ti。

9、根据权利要求6所述Ti-Al-O-N硬质复合涂层的制备方法，其特征是，所述的Ti-Al镶嵌复合靶由纯Ti和纯Al块通过镶嵌制成，两种材料的靶面比例以在溅射中获得与上述合金靶相当成分的薄膜为准。