CN108531869B - 一种制备超硬Cr-Al-N涂层的镀膜处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备超硬Cr‑Al‑N涂层的镀膜处理方法，具体步骤为:将高速钢和硬质合金材料经过研磨、抛光处理后，超声清洗干净后干燥，置入腔室后密封，加热除去杂气，然后抽高真空，在基体上施加脉冲偏压，用电弧增强气体辉光放电、以氩气为放电介质，对其表面清洗以去掉氧化膜；然后通入氮气，点燃阴极靶材，开启工件架旋转，进行镀膜。本发明结合了电弧增强气体辉光放电和先进电弧离子镀技术，制备出了具有纳米复合微观结构的涂层。与传统硬质涂层和工程材料相比，该涂层兼具超高硬度和良好韧性，同时和基体的附着力良好。

Description

一种制备超硬Cr-Al-N涂层的镀膜处理方法

技术领域

本发明涉及材料表面改性领域，具体涉及一种制备超硬Cr-Al-N涂层的镀膜处理方法。

背景技术

不锈钢、钛合金和金属玻璃等材料的需求日益高涨。这些材料因为在加工过程中产生高加工硬化率、高加工温度和高磨损率而被称为难加工材料。现有的加工工具及其涂层材料难以满足该需求。因此开发具有高硬度、高使用温度和高耐磨的硬质涂层是解决不断增长的难加工材料需求和加工刀具使用性能和寿命不足矛盾的主要出路。在追求高硬度的同时，材料的韧性往往同时下降。硬质涂层的韧性不仅包括涂层内聚力决定的韧性，也包括涂层和基体异质界面的附着力。高脆性将会大大影响材料的实用性。开发出兼具高硬度和高韧性的材料一直以来都是重要课题。

在众多硬质涂层当中，过渡金属氮化物涂层是硬度和韧性匹配最好的一种，也是适用性最广的一种。其中，铬铝氮(Cr-Al-N)涂层具有最高使用温度(约1000℃)，是作为开发新一代高速切削和难加工材料最合适体系选材。该种硬质涂层相比其Ti系列涂层的最大缺陷是硬度稍低。因而通过材料成分和结构设计来提高涂层的硬度是该体系开发的主要目标。

固定种类的硬质膜其结构和性能取决于制备手段。应用于硬质膜生产的物理气相沉积方法有两种：磁控溅射和阴极电弧。磁控溅射沉积速率较低不利于提高效率。而沉积速率和离化率都高的阴极电弧成为生产硬质膜的主要工艺手段。传统阴极电弧制备的铬铝氮涂层硬度不高，液滴比例很高，不能发挥出该膜系的性能。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种制备超硬Cr-Al-N涂层的镀膜处理方法。

本发明采用以下技术方案：

一种制备超硬Cr-Al-N涂层的镀膜处理方法，其特征在于，包括如下步骤:

(1)将基材研磨、抛光、超声清洗，烘干后装夹于可行星式旋转的工件架上，并置入密封腔室；

(2)开启旋片泵抽粗真空，然后关闭旁路阀，打开高阀和涡轮分子泵，继续抽至高真空；

(3)维持腔内气压8×10-3Pa，开启红外加热器加热，去除残留杂气，保温，将真空抽到5×10-3Pa以下；

(4)通入氩气，对工件架施加负脉冲偏压，采用电弧增强气体辉光放电对基材进行离子轰击清洗；

(5)点燃阴极蒸发源，向腔室内通入氮气，在基材上施加负电位并开动工件架，使用电弧离子镀进行铬铝氮硬质膜的制备；

(6)镀膜结束后，通过低温循环水对腔室进行冷却，取出即得。

优选地，步骤(1)中，所述的抛光是采用W2.5金刚石抛光剂进行5-10分钟的抛光，所述的超声清洗是将样品放入乙醇溶液中超声清洗10-15分钟。

优选地，步骤(2)中，所述抽粗真空是用旋片泵抽炉内气压至5×10-1Pa以下，所述的高真空是在旋片泵的维持下，用分子泵抽至8×10-3Pa以下。

优选地，步骤(3)中，所述的加热设定温度值为500-600℃。

优选地，步骤(4)中，所述的负脉冲偏压是采用频率为20kHz，负电位为300-500V，正电位为20-40V，占空比为50-80％的双极脉冲模式；所述的电弧增强辉光放电是用阴极电弧作为热电子源，将电子引入腔室的增强型气体辉光放电；所述的通入氩气，氩气气压为1-2Pa。

优选地，步骤(5)中，所述的阴极蒸发源采用粉末冶金Cr-Al靶，靶电流密度为1.66A/cm2；所述负电位为50-200V的负直流偏压；工件架转速为2-10rpm。

优选地，步骤(6)中，所述低温循环水温度为15-18℃，冷却至100℃以下取出样品。本发明的有益效果：

(1)结合了电弧增强辉光放电技术和先进电弧离子镀技术，制备出具有和基体附着力高(71N)的涂层。

(2)经过抽真空、加热除气、再抽真空，然后离子轰击清洗，并合理的选择镀膜参数，制备出了具有纳米复合微结构的涂层，兼具超高硬度(40GPa以上)和良好韧性。

附图说明

图1实例1制备的超硬Cr-Al-N涂层的HR-TEM图。

图2实例1制备的超硬Cr-Al-N涂层的截面SEM图。

图3实例1制备的超硬Cr-Al-N涂层的纳米压痕曲线。

图4实例2制备的超硬Cr-Al-N涂层的200g维氏压痕形貌图。

图5实例2制备的超硬Cr-Al-N涂层的划痕光学形貌。

图6实例2制备的超硬Cr-Al-N涂层的划痕声信号和摩擦力曲线。

图7实例3制备的超硬Cr-Al-N涂层的划痕磨损区域SEM形貌。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。实施例中使用的W2.5金刚石抛光剂均购于武汉三灵科技产业有限公司。

实施例1：

制备超硬Cr-Al-N涂层的镀膜处理方法，步骤如下：

(1)将M2高速钢基材用1200#砂纸研磨，随后用W2.5金刚石抛光剂抛光5分钟后，置入乙醇超声清洗10分钟，烘干后装夹于可行星式旋转的工件架上，并置入密封腔室；

(2)开启旋片泵将炉内气压抽到5×10^-1Pa以下，然后关闭旁路阀，打开高阀和涡轮分子泵，继续抽至5×10^-3Pa以下；

(3)维持腔内气压8×10^-3Pa，开启红外加热器加热，设定温度为500℃，去除残留杂气，保温，继续将真空抽到5×10^-3Pa以下；

(4)通入氩气2Pa，对工件架施加频率为20kHz、负电位为300V、正电位为20V、占空比为50％的双极脉冲偏压，同时启动阴极电弧热电子源，采用电弧增强气体辉光放电对基材进行离子轰击清洗；

(5)点燃作为阴极的Cr-Al合金靶，电流密度为1.66A/cm²，同时向腔室内通入氮气，在基材上施加80V的负电位，并开动工件架，转速为5rpm，使用电弧离子镀进行Cr-Al-N硬质膜的制备；

(6)镀膜结束后，开启低温循环冷却，水温度为15℃，冷却至100℃以下取出样品。

本实施例制备的Cr-Al-N涂层微观上呈现出直径约20nm的柱状晶结构，柱状晶内部又存在棒状的亚结构，为非晶亚晶界所包覆，如图1所示；整体微观尺度截面光滑，和基体结合良好，如图2所示；涂层纳米硬度为41GPa，纳米压痕曲线如图3所示。

实施例2：

制备超硬Cr-Al-N涂层的镀膜处理方法，步骤如下：

(1)将硬质合金基材用1200#砂纸研磨，随后用W2.5金刚石抛光剂抛光10分钟后，置入乙醇超声清洗15分钟，烘干后装夹于可行星式旋转的工件架上，并置入密封腔室；

(2)开启旋片泵将炉内气压抽到5×10^-1Pa以下，然后关闭旁路阀，打开高阀和涡轮分子泵，继续抽至5×10^-3Pa以下；

(3)维持腔内气压8×10^-3Pa，开启红外加热器加热，设定温度为550℃，去除残留杂气，保温，继续将真空抽到5×10^-3Pa以下；

(4)通入氩气1Pa，对工件架施加频率为20kHz、负电位为500V、正电位为30V、占空比为70％的双极脉冲偏压，同时启动阴极电弧热电子源，采用电弧增强气体辉光放电对基材进行离子轰击清洗；

(5)点燃作为阴极的Cr-Al合金靶，电流密度为1.66A/cm²，同时向腔室内通入氮气，在基材上施加50V的负电位，并开动工件架，转速为2rpm，使用电弧离子镀进行Cr-Al-N硬质膜的制备；

(6)镀膜结束后，开启低温循环冷却，水温度为16℃，冷却至100℃以下取出样品。

本实施例制备涂层的微观结构与实例1相同；硬度为42GPa；具有良好韧性，用载荷为200g的维氏压头压入表面，观察无裂纹，如图4所示；用200μm的金刚石压头从0到100N逐渐加载在表面划动，根据声信号和光学表面形貌，涂层的附着力为71N，如图5和图6所示。

实施例3：

制备超硬Cr-Al-N涂层的镀膜处理方法，步骤如下：

(1)将硬质合金基材用1200#砂纸研磨，随后用W2.5金刚石抛光剂抛光8分钟后，置入乙醇超声清洗13分钟，烘干后装夹于可行星式旋转的工件架上，并置入密封腔室；

(2)开启旋片泵将炉内气压抽到5×10^-1Pa以下，然后关闭旁路阀，打开高阀和涡轮分子泵，继续抽至5×10^-3Pa以下；

(3)维持腔内气压8×10^-3Pa，开启红外加热器加热，设定温度为600℃，去除残留杂气，保温，继续将真空抽到5×10^-3Pa以下；

(4)通入氩气1.4Pa，对工件架施加频率为20kHz、负电位为400V、正电位为40V、占空比为80％的双极脉冲偏压，同时启动阴极电弧热电子源，采用电弧增强气体辉光放电对基材进行离子轰击清洗；

(5)点燃作为阴极的Cr-Al合金靶，电流密度为1.66A/cm²，同时向腔室内通入氮气，在基材上施加200V的负电位，并开动工件架，转速为10rpm，使用电弧离子镀进行Cr-Al-N硬质膜的制备；

(6)镀膜结束后，开启低温循环冷却，水温度为18℃，冷却至100℃以下取出样品。

本实施例制备涂层的微观结构与实例1相同；硬度为42GPa；韧性和附着力测试结构和实例2相同，划痕的扫描电镜形貌如图7所示。

上述实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围。

Claims (1)

1.一种制备超硬Cr-Al-N涂层的镀膜处理方法，其特征在于，由如下步骤制得：

(1)将基材研磨、抛光、超声清洗，烘干后装夹于可行星式旋转的工件架上，并置入密封腔室；

(2)开启旋片泵抽粗真空，然后关闭旁路阀，打开高阀和涡轮分子泵，继续抽至高真空；

(3)维持腔内气压8×10^-3Pa，开启红外加热器加热，去除残留杂气，保温，将真空抽到5×10^-3Pa以下；

(4)通入氩气，对工件架施加负脉冲偏压，采用电弧增强气体辉光放电对基材进行离子轰击清洗；

(5)点燃阴极蒸发源，向腔室内通入氮气，在基材上施加负电位并开动工件架，使用电弧离子镀进行铬铝氮硬质膜的制备；

(6)镀膜结束后，通过低温循环水对腔室进行冷却，取出即得；

步骤(2)中，所述抽粗真空是用旋片泵抽炉内气压至5×10^-1Pa以下，所述的高真空是在旋片泵的维持下，用分子泵抽至8×10^-3Pa以下；

步骤(4)中，所述的负脉冲偏压是采用频率为20kHz，负电位为300-500V，正电位为20-40V，占空比为50-80％的双极脉冲模式；所述的电弧增强辉光放电是用阴极电弧作为热电子源，将电子引入腔室的增强型气体辉光放电；所述的通入氩气，氩气气压为1-2Pa；

步骤(5)中，所述的阴极蒸发源采用粉末冶金Cr-Al靶，靶电流密度为1.66A/cm²；所述负电位为50-200V的负直流偏压；工件架转速为2-10rpm；

步骤(1)中，所述的抛光是采用W2.5金刚石抛光剂进行5-10分钟的抛光，所述的超声清洗是将样品放入乙醇溶液中超声清洗10-15分钟；

步骤(3)中，所述的加热设定温度值为500-600℃；

步骤(6)中，所述低温循环水温度为15-18℃，冷却至100℃以下取出样品；所述超硬Cr-Al-N涂层的硬度为40GPa以上。

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