專利名稱：被覆件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種被覆件及其制造方法。
背景技術(shù)：
PVD鍍膜工藝在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其中，TiN, TiAlN薄膜鍍覆在刀具或模具表面能大幅提高刀具和模具的使用壽命。然而，隨著金屬切削加工朝高切削速度、高進給速度、高可靠性、長壽命、高精度和良好的切削控制性方面發(fā)展，對表面涂層的性能提出了更高的要求。傳統(tǒng)的TiN、TiAlN涂層在硬度、耐磨性及高溫抗氧化性等方面已經(jīng)不能滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，有必要提供一種具有良好的硬度、耐磨性及高溫抗氧化性的被覆件。另外，還有必要提供一種制造所述被覆件的方法。一種被覆件，包括基體及形成于基體表面的納米復(fù)合層，該納米復(fù)合層包括若干 TiCN層和若干MCN層，所述TiCN層和MCN層交替排布于基體上，所述納米復(fù)合層最外層為 MCN層；所述MCN層中的M為Al或Si。一種被覆件的制造方法，包括以下步驟提供基體；于基體上磁控濺射形成納米復(fù)合層，該納米復(fù)合層包括若干TiCN層和若干MCN 層，所述TiCN層和MCN層交替排布于基體上，所述納米復(fù)合層最外層為MCN層，所述MCN層中的M為Al或Si。由于碳氮化物TiCN與MCN之間彈性剪切模量的差異，交替沉積的每一 TiCN層與每一 MCN層之間的位錯運動在二膜層的界面處而停止，位錯的塞積可產(chǎn)生硬化現(xiàn)象及抑制膜層的變形，從而可提高所述納米復(fù)合層的硬度。所述納米復(fù)合層的硬度提高，可提高所述被覆件的耐磨性。在高溫狀態(tài)下，所述納米復(fù)合層的最外層的MCN層中的Al原子或Si原子將擴散至該納米復(fù)合層的表層，與氧氣反應(yīng)形成一致密的含有Al2O3或SiO2的保護膜，可阻止納米復(fù)合層中的元素向外擴散及外界的氧氣向納米復(fù)合層內(nèi)的擴散，如此可大大提高所述被覆件的高溫抗氧化能力。


圖1為本發(fā)明一較佳實施例的被覆件的剖視圖。主要元件符號說明被覆件 100基體10結(jié)合層 20
納米復(fù)合層30TiCN 層 31MCN 層 33Al2O3層 40
具體實施例方式請參閱圖1，本發(fā)明一較佳實施例的被覆件100包括基體10及形成于基體10表面的一納米復(fù)合層30。該基體10的材質(zhì)可以為硬質(zhì)合金、陶瓷、不銹鋼或高速鋼等。該被覆件100可以為各類切削刀具、精密量具、模具、3C電子產(chǎn)品外殼及各種建筑裝飾件等。該納米復(fù)合層30包括若干碳氮化鈦(TiCN)層31和若干MCN層33，所述TiCN層 31和MCN層33交替排布于基體10上。該納米復(fù)合層30的最外層為MCN層33。所述納米復(fù)合層30與基體10直接結(jié)合的為TiCN層31。所述MCN層33中的M為鋁(Al)或硅(Si)。所述納米復(fù)合層30的總厚度為0. 5 2. 0 μ m。所述納米復(fù)合層30的調(diào)制周期為 3 15nm。所述若干TiCN層31和若干MCN層33分別通過磁控濺射的方法制成。所述每一 TiCN層31中的C原子、N原子的百分含量分別隨所述TiCN層31沉積層數(shù)的增加呈梯度增加，所述每一 MCN層33中的C原子、N原子的百分含量也分別隨所述MCN層33沉積層數(shù)的增加呈梯度增加，即所述納米復(fù)合層30中的C原子、N原子的百分含量由靠近基體10 至遠離基體10的方向呈梯度增加。所述被覆件100還包括形成于所述基體10與納米復(fù)合層30之間的結(jié)合層20。所述結(jié)合層20為Ti層，其通過磁控濺射鍍膜法形成。所述結(jié)合層20的厚度為0. 5 2. 0 μ m。所述被覆件100還包括形成于所述納米復(fù)合層30上的氧化鋁(Al2O3)層40。所述Al2O3層40用以提高所述被覆件100的高溫抗氧化性。所述Al2O3層40的厚度為30 IOOnm0本發(fā)明一較佳實施例的被覆件100的制造方法主要包括如下步驟提供基體10，所述基體10的材質(zhì)可以為硬質(zhì)合金、陶瓷、不銹鋼及高速鋼中的任一種。將基體10放入盛裝有無水乙醇及/或丙酮溶液的超聲波清洗器中進行震動清洗，以除去基體10表面的雜質(zhì)和油污。清洗完畢后烘干備用。對經(jīng)上述處理后的基體10的表面進行氬氣等離子體清洗，以進一步去除基體10 表面的油污，以及改善基體10表面與后續(xù)涂層的結(jié)合力。該等離子體清洗的具體操作及工藝參數(shù)為將基體10固定于中頻磁控濺射鍍膜機(圖未示)的鍍膜室的轉(zhuǎn)架上，設(shè)置所述轉(zhuǎn)架的公轉(zhuǎn)速度為0.5 3. Orpm(revolution per minute，轉(zhuǎn)/分鐘)，抽真空所述鍍膜室至真空度為3. OX 10_3Pa，以100 500sCCm(標準狀態(tài)毫升/分鐘)的流量向鍍膜室內(nèi)通入純度為99. 999%的氬氣，并施加-500 -800V的偏壓于基體10，對基體10表面進行等離子體清洗，清洗時間為3 lOmin。在對基體10進行等離子體清洗后，在所述鍍膜機中采用磁控濺射鍍膜法于基體 10表面沉積所述結(jié)合層20。所述結(jié)合層20為Ti層。形成所述結(jié)合層20的具體操作及工藝參數(shù)如下以氬氣為工作氣體，調(diào)節(jié)氬氣的流量為100 300SCCm，加熱鍍膜室至100 4500C (即濺射溫度為100 450°C )，開啟安裝于所述鍍膜室內(nèi)的一鈦靶的電源，設(shè)置該鈦靶的電源功率為1 10kw，對基體10施加-100 -400V的偏壓，沉積所述結(jié)合層20。沉積該結(jié)合層20的時間為5 IOmin。于所述結(jié)合層20上沉積所述納米復(fù)合層30。所述納米復(fù)合層30由若干TiCN層 31和若干MCN層33交替沉積形成。所述MCN層33中的M為鋁(Al)或硅(Si)。形成所述納米復(fù)合層30的具體操作及工藝參數(shù)如下(1)以氬氣為工作氣體，調(diào)節(jié)氬氣流量至100 300sCCm，再向鍍膜室中通入流量為20 30sccm的純度為99. 99%的反應(yīng)氣體氮氣及流量為20 40sccm的純度為99. 8% 的反應(yīng)氣體乙炔；設(shè)置所述鈦靶的電源功率為2 12kw，對基體10施加-100 -400V的偏壓，保持所述濺射溫度不變，沉積TiCN層31。沉積該TiCN層31的時間為5 lOmin。(2)關(guān)閉所述鈦靶的電源，選擇Al靶或Si靶為靶材，設(shè)置該靶材的電源功率為 3 12kw，保持施加于基體10的偏壓不變、濺射溫度、氬氣及乙炔氣體的流量不變，于所述 TiCN層31上沉積一 MCN層33。沉積該MCN層33的時間為5 IOmin。(3)重復(fù)上述步驟⑴及⑵，以交替沉積TiCN層31及MCN層33。且在沉積后續(xù)的每一 TiCN層31及每一 MCN層33時，將氮氣和乙炔氣體的流量分別較沉積前一 TiCN 層31及前一 MCN層33時氮氣和乙炔氣體的流量分別增大5 lOsccm，而使該每一遞進的 TiCN層31及MCN層33中C原子、N原子的含量分別呈梯度增加。沉積該納米復(fù)合層30的時間為60 120min。關(guān)閉負偏壓及靶材的電源，停止通入氬氣、氮氣乙炔氣體，待所述納米復(fù)合層30 冷卻后，向鍍膜內(nèi)通入空氣，打開鍍膜室門，取出鍍覆有結(jié)合層20及納米復(fù)合層30的基體 10。由于碳氮化物TiCN與MCN之間彈性剪切模量的差異，使交替沉積的每一 TiCN層 31與每一MCN層33之間的位錯運動在二膜層的界面處而停止，該位錯的塞積可產(chǎn)生硬化現(xiàn)象及抑制膜層的變形，從而可一定程度上提高所述納米復(fù)合層30的硬度。更重要的是，由于所述納米復(fù)合層30的調(diào)制周期為3 15nm，在該納米復(fù)合層30的沉積過程中，MCN層33 以TiCN層31為模板在TiCN層31表面進行外延生長，進而與TiCN層31形成共格界面，如此可進一步顯著提高所述納米復(fù)合層30的硬度。所述納米復(fù)合層30中C原子、N原子的百分含量呈梯度變化，與結(jié)合層20的結(jié)合處C原子、N原子的百分含量較低，使其具有與結(jié)合層20、基體10較相近的熱膨脹系數(shù)，因此界面處內(nèi)應(yīng)力小，使得納米復(fù)合層30與結(jié)合層20之間的結(jié)合力增強；所述納米復(fù)合層 30表層的C原子、N原子的百分含量較高，因此納米復(fù)合層30表層的硬度較高。所述納米復(fù)合層30硬度的提高及納米復(fù)合層30與結(jié)合層20之間結(jié)合力的增強，可顯著地提高所述被覆件100的耐磨性。在高溫狀態(tài)下，所述納米復(fù)合層30的最外層的MCN層33中的Al原子或Si原子將擴散至該納米復(fù)合層30的表層，與氧氣反應(yīng)形成一致密的含有Al2O3或SiO2的保護膜， 可阻止納米復(fù)合層30中的元素向外擴散及外界的氧氣向納米復(fù)合層30內(nèi)的擴散，如此可大大提高所述被覆件100的高溫抗氧化能力。此外，所述若干TiCN層31與若干MCN層33交替沉積，還可抑制納米復(fù)合層30中柱狀晶及穿透性針孔的形成，提高了所述被覆件100表面的致密性，從而提高了被覆件100 的耐腐蝕性。
可以理解的，所述被覆件100的制造方法還包括于所述納米復(fù)合層30上沉積Al2O3 層40的步驟，其具體操作及工藝參數(shù)如下停止通入氮氣及乙炔氣體，關(guān)閉除Al靶以外的其他靶材，保持Al靶的電源功率不變，向鍍膜室中通入流量為200 400sCCm的反應(yīng)氣體氧氣，保持施加于基體10的偏壓不變及濺射溫度不變，沉積Al2O3層40。沉積所述Al2O3層 40的時間為3 IOmin。在高溫狀態(tài)下，所述Al2O3層40中的Al原子將擴散至該Al2O3層40的表層，與氧氣反應(yīng)形成Al2O3而增強所述Al2O3層40的致密性，如此可進一步提高所述被覆件100的高溫抗氧化能力及耐腐蝕性能。
權(quán)利要求
1.一種被覆件，包括基體及形成于基體表面的納米復(fù)合層，其特征在于該納米復(fù)合層包括若干TiCN層和若干MCN層，TiCN層和MCN層交替排布于基體上，所述納米復(fù)合層最外層為MCN層；所述MCN層中的M為Al或Si。
2.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于所述納米復(fù)合層的總厚度為0.5 2. Oym,該納米復(fù)合層的調(diào)制周期為3 15nm。
3.如權(quán)利要求1或2所述的被覆件，其特征在于所述每一TiCN層中的C原子、N原子的含量分別隨所述TiCN層沉積層數(shù)的增加呈梯度增加，所述每一 MCN層中的C原子、N原子的含量分別隨所述MCN層沉積層數(shù)的增加呈梯度增加。
4.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于所述被覆件還包括形成于所述基體與納米復(fù)合層之間的結(jié)合層，所述結(jié)合層為Ti層。
5.如權(quán)利要求1所述的被覆件，其特征在于所述被覆件還包括形成于所述納米復(fù)合層上的氧化鋁層。
6.一種被覆件的制造方法，包括以下步驟提供基體；于基體上磁控濺射形成納米復(fù)合層，該納米復(fù)合層包括若干TiCN層和若干MCN層，所述TiCN層和MCN層交替排布于基體上，所述納米復(fù)合層最外層為MCN層，所述MCN層中的 M為Al或Si。
7.如權(quán)利要求6所述的被覆件的制造方法，其特征在于磁控濺射該納米復(fù)合層包括如下步驟以鈦靶為靶材，以氮氣和乙炔氣體為反應(yīng)氣體，于基體上磁控濺射形成TiCN層；選擇Al靶或Si靶為靶材，以氮氣和乙炔氣體為反應(yīng)氣體，于該TiCN層上磁控濺射形成MCN層；重復(fù)所述磁控濺射TiCN層及MCN層的步驟，于所述基體上交替形成若干TiCN層和若干MCN層。
8.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制造方法，其特征在于磁控濺射所述TiCN層的工藝參數(shù)為氮氣流量為20 30sCCm，乙炔氣體的流量為20 40sCCm，以氬氣為工作氣體，其流量為100 300sccm，所述鈦靶的電源功率為2 12kw，于基體上施加-100 -400V的偏壓，濺射溫度為100 450°C，濺射時間為5 IOmin ；所述重復(fù)濺射形成TiCN層時，將氮氣和乙炔氣體的流量較沉積前一 TiCN層時分別增大5 lOsccm。
9.如權(quán)利要求7所述的被覆件的制造方法，其特征在于磁控濺射所述MCN層的工藝參數(shù)為所述Al靶或Si靶的電源功率為3 12kw，于基體上施加-100 -400V的偏壓， 濺射溫度為100 450°C，濺射時間為5 IOmin ；所述重復(fù)濺射形成MCN層時，將氮氣和乙炔氣體的流量較沉積前一 MCN層時分別增大5 lOsccm。
10.如權(quán)利要求6所述的被覆件的制造方法，其特征在于所述被覆件的制造方法還包括于所述納米復(fù)合層上磁控濺射形成Al2O3層的步驟，其工藝參數(shù)為以Al靶為靶材， 設(shè)置其電源功率為3 12kw，以氧氣為反應(yīng)氣體，氧氣流量為200 400sCCm，于基體上施加-100 -400V的偏壓，濺射溫度為100 450，濺射時間為3 lOmin。
全文摘要
本發(fā)明提供一種被覆件，包括基體及形成于基體表面的納米復(fù)合層，該納米復(fù)合層包括若干TiCN層和若干MCN層，所述TiCN層和MCN層交替排布于基體上，所述納米復(fù)合層最外層為MCN層，所述MCN層中M為Al或Si。所述被覆件具有良好的硬度、耐磨性及高溫抗氧化性的被覆件。本發(fā)明還提供了所述被覆件的制造方法。
文檔編號C23C14/08GK102453877SQ20101051448
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月21日
發(fā)明者張新倍, 胡智杰, 蔣煥梧, 陳文榮, 陳正士 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司