CrmN/TixAlyN/AlaCrbSicVdNe纳米复合涂层及其制备方法和包含其的工具与流程

本发明涉及物理气相沉积纳米复合涂层。具体地，本发明涉及crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层及其制备方法。本发明还涉及包含所述crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层的工具。

背景技术：

1、在现代制造业的高速发展之下，硬质涂层作为材料科学的重要研究方向一直受到很多重视，并且广泛应用于机械领域、医疗领域、纺织领域、微电子领域和航空领域等。硬质涂层是在基体上沉积的一层或多层厚度为数微米的涂层。在基体不变情况下，硬质涂层可以使得其所涂覆的零部件具有更好的性能和更久的使用寿命。例如，切削工具在沉积了硬质膜层后，会具有提高的切削性能。硬质涂层除了改善切削工具的切削加工质量并大大降低其加工成本外，还可以大幅提升其硬度和韧性。

2、切削工具涂层技术随时间发展可分为多元涂层、梯度涂层、纳米复合涂层、纳米多层涂层等。所述涂层的各项性能也稳步提升，可应用于各种切削加工环境中。

3、切削工具涂层一般可采用物理气相沉积技术。物理气相沉积技术目前已相当完善，主要包括利用大电流使得靶材蒸发或者附加粒子向靶材表面轰击从而使得靶材粒子溅射向基体表面从而实现沉积的过程。物理气相沉积技术主要包括蒸发、磁控溅射(magnetron sputtering，ms)、电弧离子镀(arc ion plating，aip)和电子束物理气相沉积技术等。

4、可通过所述物理气相沉积技术形成包含元素铝(al)、铬(cr)、硅(si)、钛(ti)和氮(n)的alcrsitin涂层，该涂层是各种力学性能较为优秀的涂层之一。将alcrsitin涂层中的ti元素替换为钒(v)元素，可形成少量的含钒氮化物，从而能够增加涂层的硬度、韧性和抗磨擦性等。

5、复合涂层结构已经被证明能有效提高涂层的性能，例如现有技术中已经公开的tialn/alcrn、alcrsin/alcrn复合涂层等。采用阴极电弧离子镀膜技术制备的alcrn涂层具有硬度高、韧性强等优点，但其热稳定性较差，无法在800℃以上的环境中长时间工作。

6、alcrsivn涂层是目前在硬度、耐磨性、热稳定性等各方面较为优异的一种涂层，但其与基体间结合处强度较低；而tialn作为许多氮化物涂层的过渡层，其涂层间的结合力较好，具有优秀的硬度和韧性；并且crn涂层具有高附着力。它们的结合可能带来综合性能较高的涂层。

7、然而，目前仍需要进一步优化crn/tialn/alcrsivn复合涂层结构的综合性能。

技术实现思路

1、发明目的

2、鉴于上述背景技术部分中所描述的现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层及其制备方法。另外，本发明的目的还在于提供一种包含所述crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层的工具。

3、技术方案

4、为实现上述本发明的目的，本发明提供以下技术方案

5、方案1：一种结合于基体表面上的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层，其中该纳米复合涂层包含沉积于所述基体表面上的crmn过渡层，和沉积于所述crmn过渡层表面上的具有一个或多个周期性结构的tixalyn/alacrbsicvdne复合多层，其中所述tixalyn/alacrbsicvdne复合多层的一个周期包含内层的tixalyn层和外层的alacrbsicvdne层，

6、其中

7、m为约0.99至约1.01；

8、x为约0.29至约0.31，y为约0.69至约0.71，且x+y的和为约1；

9、a为约0.20至约0.25；b为约0.13至约0.17；c为约0.05至约0.10；d为约0.05至约0.10，e为约0.40至约0.50，且a+b+c+d+e的和为约1。

10、方案2：根据上述方案1所述的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层，其中所述crmn过渡层的厚度在约0.4至约0.6μm范围内。

11、方案3：根据上述方案1或2所述的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层，其中所述tixalyn/alacrbsicvdne复合多层的一个周期的总厚度在约0.9至约1.1μm范围内。

12、方案4：根据上述方案1至3中任一项所述的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层，其中所述tixalyn层的厚度在约0.4至约0.6μm范围内。

13、方案5：根据上述方案1至3中任一项所述的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层，其中所述alacrbsicvdne层的厚度在约0.4至约0.6μm范围内。

14、方案6：根据上述方案1至5中任一项所述的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层，其中所述基体选自硬质合金、高速钢和刚玉中的任何一种。

15、方案7：根据上述方案1至6中任一项所述的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层，其中所述具有周期性结构的tixalyn/alacrbsicvdne复合多层的周期数为1、2、3或4。

16、方案8：根据上述方案1至7中任一项所述的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层，其中所述复合涂层包含面心立方结构的aln、crn、vn相和密排六方结构的aln相，以及si的氮化物非晶相。

17、方案9：根据上述方案1至8中任一项所述的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层，其中所述纳米复合涂层具有以下性能中的一种或多种：

18、硬度在约29.4±约1.5gpa范围内，

19、弹性模量在约384.4±约12.3gpa范围内，

20、结合力达到约54n以上，

21、硬度/弹性模量的比值达到约0.0765以上，和

22、摩擦系数为小于约0.6，优选小于约0.56。

23、方案10：一种制备根据上述方案1至9中任一项所述的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层的方法，其中该方法包括以下步骤：

24、步骤1：在所述基体表面上通过电弧离子镀沉积所述crmn过渡层；和

25、步骤2：在所述crmn过渡层表面上通过电弧离子镀依次沉积所述tixalyn层和所述alacrbsicvdne层。

26、方案11：根据上述方案10所述的制备方法，其中该方法进一步包括步骤3：在得自步骤2的所述alacrbsicvdne层上通过电弧离子镀进一步依次沉积所述tixalyn层和所述alacrbsicvdne层一次或多次。

27、方案12：根据上述方案10至11中任一项所述的制备方法，其中所述沉积所述crmn过渡层的过程包括：

28、在向氮气气氛下的电弧离子镀沉积室中连续通入流量为约600至约800sccm的氮气的情况下，控制所述沉积室内的压力为约0.8至约1.1pa、温度为约460至约490℃，并控制位于所述沉积室内的基体的温度为约470至约500℃，开启cr靶进行所述电弧离子镀沉积约25至约35分钟以形成所述crmn过渡层，其中所述cr靶的靶电流设定为约80至约100a，所述cr靶的偏置电压设定为约-80至约-120v，所述cr靶与基体的距离设定为约24至约26cm。

29、方案13：根据上述方案10至12中任一项所述的制备方法，其中所述沉积所述tixalyn层的过程包括：

30、在向氮气气氛下的电弧离子镀沉积室中连续通入流量为约600至约800sccm的氮气的情况下，控制所述沉积室内的压力为约0.8至约1.1pa、温度为约460至约490℃，并控制位于所述沉积室内的包含所述crmn过渡层的基体的温度为约470至约500℃，开启tial靶以进行所述电弧离子镀沉积约55至约65分钟以形成所述tixalyn层，其中所述tial靶中ti:al的原子比例为约(32-34):(66-68)，所述tial靶的靶电流设定为约90至约110a，所述tial靶的偏置电压设定为约-80至约-120v，所述tial靶与基体的距离设定为约24至约26cm。

31、方案14：根据上述方案10至13中任一项所述的制备方法，其中所述沉积所述alacrbsicvdne层的过程包括：

32、在向氮气气氛下的电弧离子镀沉积室中连续通入流量为约600至约800sccm的氮气的情况下，控制所述沉积室内的压力为约0.8至约1.1pa、温度为约460至约490℃，并控制位于所述沉积室内的包含所述crmn过渡层和所述tixalyn层的基体的温度为约470至约500℃，同时开启alcrsi靶和v靶以进行所述电弧离子镀沉积约25至约35分钟以形成所述alacrbsicvdne层，其中所述alcrsi靶中al:cr:si的原子比例为约(59-61):(29-31):10，并且所述alcrsi靶和所述v靶的靶电流均设定为约80至约120a，所述alcrsi靶和所述v靶的偏置电压均设定为约-80至约-120v，所述alcrsi靶和所述v靶与基体的距离均设定为约24至约26cm。

33、方案15：根据上述方案10至14中任一项所述的制备方法，其中该方法包括步骤3：在得自步骤2的所述alacrbsicvdne层上通过电弧离子镀进一步依次沉积所述tixalyn层和所述alacrbsicvdne层1次、2次或3次。

34、方案16：一种工具，优选切削工具，其中该工具包含根据上述方案1至9中任一项所述的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层或者根据上述方案10至15中任一项所述的制备方法制备的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层。

35、技术效果

36、通过本发明的方法制备的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层综合性地利用了所述alacrbsicvdne层的高耐磨性和热稳定性、所述tixalyn层的优秀的硬度和韧性以及所述crmn过渡层的高附着力等特点，从而使得本发明的复合涂层在具备较好的硬度、结合力和韧性等综合力学性能的同时还能兼顾优异的润滑性能。

37、具体地，

38、本发明的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层包含占主要部分的面心立方结构的aln、crn、vn相和密排六方结构的aln相，以及占次要部分的si的氮化物非晶相。所述占次要部分的一定量的非晶相在一些情况下可能至少部分包裹着所述占主要部分的晶相。所述复合涂层中包含的非晶相具备阻挡裂纹产生，抑制位错的移动的性能，从而提高了本发明的复合涂层的韧性与耐磨性，使得所述涂层具备合适的硬度、结合力、热稳定性和抗磨擦磨损性能。具体地，本发明的纳米复合涂层的硬度在约29.4±1.5gpa范围内，弹性模量在约384.4±12.3gpa范围内，结合力可达到约54n以上，硬度/弹性模量的比值达到约0.0765以上，摩擦系数为小于约0.6，优选小于约0.56。本发明的复合涂层在具备较好的硬度、结合力和韧性的同时还兼顾了优异的润滑性能。

39、本发明的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层中具有引入的v元素，从而形成含钒氮化物，该含钒氮化物具备优异的抗高温摩擦性能，通过v的加入抑制了涂层中柱状晶生长，并在摩擦过程中生成了氧化钒润滑相，使得所述复合涂层在高温环境下具备优异的润滑效果，能够降低其磨损率。

40、本发明的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层由于具有良好的润滑效果，可替代部分润滑液起到润滑效果的生产过程，避免了污染，从而对保护生态环境还具有重要的作用。

41、本发明的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层的制备方法工艺重复性高。通过本发明的方法制备的crmn/tixalyn/alacrbsicvdne纳米复合涂层的表面较为致密平整。