一种含钽PVD硬质涂层及其制备方法、设备

本发明涉及表面工程，尤其涉及一种含钽pvd硬质涂层及其制备方法、设备。

背景技术：

1、在先进加工制造领域，切削刀具的质量和稳定性是提高加工效率和质量、降低生产成本、加快产品研发的关键性因素。而涂层技术作为该领域的三大关键技术之一，可有效提高刀具的表面硬度和耐磨性，从而显著提升切削性能。

2、alcrn是目前应用广泛的硬质涂层材料，其硬度超过30gpa。然而，随着先进切削技术的发展和高性能难加工材料的普及和应用，刀具表面经受着愈加严苛的工况条件，其刃口温度甚至可超过1000℃。高的切削温度会直接导致alcrn涂层氧化加剧、耐磨性下降，造成刀具的快速失效。

3、本发明将结合原有涂层的优势，制备出兼具抗高温氧化性和耐磨性的多元硬质alcrtan涂层，用于解决高温氧化导致的刀具涂层耐磨性下降、寿命减少等问题。

4、迄今，含钽元素的pvd硬质涂层及其制备方法尚未见报道。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提出的一种含钽pvd硬质涂层及其制备方法、设备，该alcrtan涂层硬度高、韧性好，具备优良的抗高温氧化性，可以显著提高涂层在高温环境下的耐磨性，从而增加涂层的使用寿命。

2、为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

3、一种含钽pvd硬质涂层，包括基体，所述基体上的设有含钽pvd硬质涂层，所述含钽pvd硬质涂层包含al、cr、ta和n四种元素，所述含钽pvd硬质涂层为alcrtan涂层且alcrtan涂层为纳米组织结构。

4、优选地，所述alcrtan涂层包括如下原子百分比的组分：20～25％cr、5～10％ta、40～45％n、余量为al。

5、优选地，所述alcrtan涂层的厚度范围为2～4μm，所述alcrtan涂层由fcc-(cr,al)n相组成，所述alcrtan涂层中的ta元素取代al或cr形成固溶体相。

6、优选地，所述alcrtan涂层的硬度为30～35gpa；所述alcrtan涂层的摩擦系数为0.5～0.6；所述alcrtan涂层的弹性模量为400～530gpa；所述alcrtan涂层的结合力为70～90n。

7、本发明还公开了一种新型含钽pvd硬质涂层的制备方法，包括如下工序：

8、工序一；为基体的表面预处理；

9、工序二为辉光清洗；

10、工序三为离子刻蚀处理；

11、工序四为alcrtan涂层的沉积。

12、优选地，所述基体的表面预处理包括先对基体进行机械抛光，然后依次在蒸馏水、丙酮和酒精中进行超声清洗，烘干后备用。

13、优选地，所述辉光清洗是指，将表面预处理后的样品固定在真空室中，使腔室的压强保持在10-4pa以下，然后通入氩气进行辉光放电以去除样品表面的杂质。

14、优选地，所述离子刻蚀处理是指，采用纯cr靶进行金属离子轰击，去除表面杂质，增加膜-基结合力。

15、优选地，所述alcrtan涂层的沉积包括两种方式：

16、第一种方式为电弧沉积：即采用alcrta合金靶作为电弧靶，n2作为反应气体，沉积alcrtan涂层，具体参数如下：沉积温度为300-500℃，靶电流为50-100a，氮气流量为100-300sccm，气压为1-3pa，沉积偏压为-80v至-140v，沉积时间为30-200min，基体与靶材的间距为10-15cm，样品自转和公转同时进行；

17、第二种方式为磁控+电弧沉积：即采用alcr合金靶作为电弧靶，纯ta靶作为磁控靶，在氮气气氛中，同时利用磁控溅射ta靶材和电弧蒸发alcr靶材在基体表面制备alcrtan涂层，具体参数如下：沉积温度为300-500℃，氮气流量为100-300sccm，气压为1-3pa，沉积时间为30-200min，基体与靶材的间距为10-15cm，电弧靶电流为50-100a，电弧靶沉积偏压为-80v至-140v，磁控溅射ta靶材的平均溅射功率为5-30w/cm2。

18、本发明还公开了一种含钽pvd硬质涂层的制备设备，所述制备设备包括底座，所述底座上安装有基体表面处理装置、辉光清洗装置、离子刻蚀装置以及alcrtan涂层沉积装置，所述基体表面处理装置包括箱体，所述箱体内固定有支撑板，所述箱体内固定有两个电动推杆，所述电动推杆的输出端固定连接有滑动在支撑板上端用于对基体夹持的夹持板，所述箱体的内顶部安装有液压缸，所述液压缸的输出端固定有移动板，所述箱体的内底部固定有两个套管，所述套管内滑动连接有滑动杆，所述滑动杆的下端与移动板的上端固定连接，所述移动板的底部固定连接有变向箱，所述变向箱内啮合有两个锥齿轮，两个所述锥齿轮的轴端均固定有短杆，所述短杆贯穿变向箱并与其转动连接，所述变向箱上安装有电机，所述电机的输出端与短杆固定连接，另一个所述短杆固定连接有抛光盘，所述箱体的内底部安装有集尘箱，所述集尘箱上安装有风机，所述风机的进风端与集尘箱相连接，所述集尘箱上固定有金属定型软管，所述金属定型软管上安装有吸尘管，所述吸尘管上贯穿设有多个吸尘孔。

19、本发明与现有技术相比，其有益效果为：

20、1、本发明是一种新型含钽pvd硬质涂层，由al、cr、ta和n四种元素组成，厚度为1-4μm。本发明利用电弧镀膜装置，或者磁控溅射和电弧相结合的方法制备硬质涂层，其成分具备可控性，且该种工艺操作简单。

21、2、本发明与现有技术相比，通过在含铝过渡金属氮化物alcrn中添加ta元素，可提高涂层的抗高温氧化性能及硬度，从而减少涂层的磨损，提高其使用寿命。

22、3、本发明研制的alcrtan涂层制备工艺重复性好，制备的涂层适用于硬质合金和轴承钢等基体，在各类刀具和冲压磨具等领域具有广泛的应用前景。

23、综上所述，本发明中alcrtan涂层硬度高、韧性好，具备优良的抗高温氧化性，可以显著提高涂层在高温环境下的耐磨性，从而增加涂层的使用寿命。

技术特征：

1.一种含钽pvd硬质涂层，包括基体，其特征在于，所述基体上的设有含钽pvd硬质涂层，所述含钽pvd硬质涂层包含al、cr、ta和n四种元素，所述含钽pvd硬质涂层为alcrtan涂层且alcrtan涂层为纳米组织结构。

2.根据权利要求1所述的一种含钽pvd硬质涂层，其特征在于，所述alcrtan涂层包括如下原子百分比的组分：20～25％cr、5～10％ta、40～45％n、余量为al。

3.根据权利要求1所述的一种含钽pvd硬质涂层，其特征在于，所述alcrtan涂层的厚度范围为2～4μm，所述alcrtan涂层由fcc-(cr,al)n相组成，所述alcrtan涂层中的ta元素取代al或cr形成固溶体相。

4.根据权利要求1所述的一种含钽pvd硬质涂层，其特征在于，所述alcrtan涂层的硬度为30～35gpa；所述alcrtan涂层的摩擦系数为0.5～0.6；所述alcrtan涂层的弹性模量为400～530gpa；所述alcrtan涂层的结合力为70～90n。

5.一种任一权利要求1～4所述的新型含钽pvd硬质涂层的制备方法，其特征在于，包括如下工序：

6.根据权利要求5所述的一种含钽pvd硬质涂层的制备方法，其特征在于，所述基体的表面预处理包括先对基体进行机械抛光，然后依次在蒸馏水、丙酮和酒精中进行超声清洗，烘干后备用。

7.根据权利要求5所述的一种含钽pvd硬质涂层的制备方法，其特征在于，所述辉光清洗是指，将表面预处理后的样品固定在真空室中，使腔室的压强保持在10-4pa以下，然后通入氩气进行辉光放电以去除样品表面的杂质。

8.根据权利要求5所述的一种含钽pvd硬质涂层的制备方法，其特征在于，所述离子刻蚀处理是指，采用纯cr靶进行金属离子轰击，去除表面杂质，增加膜-基结合力。

9.根据权利要求5所述的一种含钽pvd硬质涂层的制备方法，其特征在于，所述alcrtan涂层的沉积包括两种方式：

10.一种含钽pvd硬质涂层的制备设备，其特征在于，所述制备设备包括底座(1)，所述底座(1)上安装有基体表面处理装置(2)、辉光清洗装置(3)、离子刻蚀装置(4)以及alcrtan涂层沉积装置(5)，所述基体表面处理装置(2)包括箱体，所述箱体内固定有支撑板(20)，所述箱体内固定有两个电动推杆(15)，所述电动推杆(15)的输出端固定连接有滑动在支撑板(20)上端用于对基体夹持的夹持板(16)，所述箱体的内顶部安装有液压缸(6)，所述液压缸(6)的输出端固定有移动板(9)，所述箱体的内底部固定有两个套管(7)，所述套管(7)内滑动连接有滑动杆(8)，所述滑动杆(8)的下端与移动板(9)的上端固定连接，所述移动板(9)的底部固定连接有变向箱(11)，所述变向箱(11)内啮合有两个锥齿轮，两个所述锥齿轮的轴端均固定有短杆，所述短杆贯穿变向箱(11)并与其转动连接，所述变向箱(11)上安装有电机(10)，所述电机(10)的输出端与短杆固定连接，另一个所述短杆固定连接有抛光盘(12)，所述箱体的内底部安装有集尘箱(18)，所述集尘箱(18)上安装有风机(19)，所述风机(19)的进风端与集尘箱(18)相连接，所述集尘箱(18)上固定有金属定型软管(17)，所述金属定型软管(17)上安装有吸尘管(13)，所述吸尘管(13)上贯穿设有多个吸尘孔(14)。

技术总结本发明公开了一种含钽PVD硬质涂层及其制备方法、设备，该涂层包含Al、Cr、Ta和N四种元素，AlCrTaN涂层为纳米组织结构；该制备方法，包括如下工序：工序一；为基体的表面预处理；工序二为辉光清洗；工序三为离子刻蚀处理；工序四为AlCrTaN涂层的沉积；该制备设备包括底座，所述底座上安装有基体表面处理装置、辉光清洗装置、离子刻蚀装置以及AlCrTaN涂层沉积装置，所述基体表面处理装置，所述基体表面处理装置包括箱体。本发明中AlCrTaN涂层硬度高、韧性好，具备优良的抗高温氧化性，可以显著提高涂层在高温环境下的耐磨性，从而增加涂层的使用寿命。技术研发人员：王成旭,刘仲礼,刘佳,周麟受保护的技术使用者：烟台大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4