專利名稱：高硬度ZrN/Al的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域的涂層，具體是一種高硬度的ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層。
背景技術(shù)：
高速、干式切削技術(shù)對(duì)刀具涂層的性能提出了更高的要求，除了要求涂層具有普通切削刀具涂層應(yīng)有的高硬度、低摩擦系數(shù)等力學(xué)性能外，更需要涂層具有優(yōu)異的高溫抗氧化性。然而，現(xiàn)有的刀具涂層雖然都具有較高的硬度，但它們的抗氧化能力卻難以滿足高速、干式切削苛刻的服役條件。例如，目前最常用的TiN涂層的硬度約為23GPa，其抗氧化溫度約為500℃；TiCN涂層硬度雖高達(dá)40GPa，但抗氧化溫度卻只有400℃；目前應(yīng)用最好的TiAlN涂層硬度為35GPa，抗氧化性溫度可達(dá)到約800℃，但和高速、干式切削時(shí)刀具涂層前端高達(dá)1000℃以上的工作溫度相比仍有差距。目前生產(chǎn)上急需一種能夠兼具高硬度和優(yōu)良抗氧化性能的工具涂層。為了提高刀具涂層的抗氧化性，已有的技術(shù)采用在TiN等涂層的表面或中間增加一層或多層0.1～8μm厚度的Al2O3層，使之與氮化物層形成多層結(jié)構(gòu)的涂層。盡管致密的Al2O3層能顯著提高涂層的抗氧化性，但由于Al2O3的硬度遠(yuǎn)低于氮化物，這種氮化物和Al2O3組成的多層涂層的硬度會(huì)明顯降低，從而影響到刀具涂層的切削功能的有效發(fā)揮。還有人提出通過(guò)兩種氧化物制備納米多層膜使其兼具高硬度和優(yōu)異抗氧化性能，但此方法獲得的Al2O3/ZrO2和Y2O3/ZrO2納米多層涂層雖具有優(yōu)異的抗氧化性，但硬度都沒(méi)有得到提高。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，美國(guó)專利US6333099 B1提供了一種具有優(yōu)良抗氧化性能的MeN/Al2O3納米多層涂層，該涂層中的過(guò)渡族金屬氮化物可以是Ti、Nb、Hf、V、Ta、Mo、Zr、Cr、W、Al等元素或者它們混合物的氮化物，寫(xiě)作MeN。該納米多層涂層由兩種層厚分別為0.1～30nm的MeN層和Al2O3層交替沉積而形成成分周期變化的多層結(jié)構(gòu)。涂層總厚度為0.5～20μm。這種涂層的硬度不低于其組成物MeN和Al2O3單層涂層的硬度。但是該專利中具有優(yōu)異抗氧化性的納米多層涂層所存在的不足是硬度不夠高(不低于各組成物的硬度)；材料選擇范圍和納米多層結(jié)構(gòu)厚度范圍都過(guò)寬，不易掌握；未提供可高效生產(chǎn)的實(shí)施方法。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)一步檢索，目前尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明技術(shù)主題相同或者相似的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問(wèn)題，提供一種高硬度ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層，使其具有很高生產(chǎn)效率，兼具高硬度和優(yōu)異抗氧化性能，并適用于高速切削和干式切削，制備方法便于高效實(shí)施。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明的ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層，由Al2(O1-xNx)3層和ZrN層交替沉積在金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷的基體上組成，Al2(O1-xNx)3層的厚度為0.3～1.1nm，ZrN層的厚度為2～10nm，納米多層涂層的總厚度為2～5μm。這種結(jié)構(gòu)的納米多層涂層能夠獲得30GPa以上的硬度，抗氧化溫度超過(guò)1000℃。
本發(fā)明提供的ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層可采用反應(yīng)濺射方法制備，具體為采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)通過(guò)直流陰極濺射金屬Zr，射頻陰極濺射Al2O3，并與真空室中Ar氣和N2氣混合氣體中的N2氣反應(yīng)生成ZrN和Al2(O1-xNx)3，并通過(guò)控制轉(zhuǎn)動(dòng)基片架分別在各靶前接受ZrN和Al2(O1-xNx)3的時(shí)間獲得ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層，具有很高的生產(chǎn)效率。
本發(fā)明提供的ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層具有如下特點(diǎn)(1)納米多層涂層的硬度高于30GPa，明顯高于其組成物。ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層的高硬度在于此納米多層涂層中的ZrN層和Al2(O1-xNx)3層具有共格外延生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特征；(2)ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層中組成物之一的Al2(O1-xNx)3(x≤0.15)含有少量的N。這些N的存在不僅不會(huì)降低氧化物層的抗氧化能力，而且有利于納米多層涂層硬度的提高；(3)ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層中的氧化物層含有少量的N，從而使在Ar、N2混合氣體中反應(yīng)濺射制備這種納米多層涂層成為可能。并且，由于本發(fā)明中ZrN層的厚度遠(yuǎn)大于Al2(O1-xNx)3層，因此提高ZrN層的沉積效率是提高這種涂層生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。而采用在Ar、N2混合氣體中反應(yīng)濺射獲得的ZrN具有很高的沉積效率。所以，本發(fā)明所提供的ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層可以獲得很高的生產(chǎn)效率。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明提供的ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層兼具高硬度和優(yōu)異抗氧化性能，制備方法便于高效實(shí)施，對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)中用作高速切削和干式切削的刀具保護(hù)涂層以及其他耐磨涂層，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。


圖1為本發(fā)明ZrN/Al2(O1-xNx)3硬質(zhì)納米多層涂層結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層由Al2(O1-xNx)3層1和ZrN層2交替沉積在金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷的基體3上組成，Al2(O1-xNx)3層1的厚度為0.3～1.1nm，ZrN層2的厚度為2～10nm，納米多層涂層的總厚度為2～5μm。
本發(fā)明提供的ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層可以采用在Ar、N2混合氣體中反應(yīng)物理氣相沉積的方法制備。例如雙靶(分別為Zr金屬靶和Al2O3陶瓷靶)通過(guò)反應(yīng)濺射方法制備而成。
以下結(jié)合本發(fā)明內(nèi)容提供實(shí)施實(shí)例實(shí)例一ZrN/Al2(O1-xNx)3多層涂層中ZrN層的厚度為2nm，Al2(O1-xNx)3(x＝0.06)層厚為0.3nm。
采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)通過(guò)直流陰極濺射金屬Zr，射頻陰極濺射Al2O3，并與真空室中Ar氣和N2氣混合氣體中的N2氣反應(yīng)生成ZrN和Al2(O1-xNx)3，并通過(guò)控制轉(zhuǎn)動(dòng)基片架分別在各靶前接受ZrN和Al2(O1-xNx)3的時(shí)間獲得ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層。涂層的硬度為30GPa，抗氧化溫度超過(guò)1000℃。
實(shí)例二ZrN/Al2(O1-xNx)3多層涂層中ZrN層的厚度為2nm，Al2(O1-xNx)3(x＝0.06)層厚為0.5nm。
采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)通過(guò)直流陰極濺射金屬Zr，射頻陰極濺射Al2O3，并與真空室中Ar氣和N2氣混合氣體中的N2氣反應(yīng)生成ZrN和Al2(O1-xNx)3，并通過(guò)控制轉(zhuǎn)動(dòng)基片架分別在各靶前接受ZrN和Al2(O1-xNx)3的時(shí)間獲得ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層。涂層的硬度為33GPa，抗氧化溫度超過(guò)1000℃。
實(shí)例三
ZrN/Al2(O1-xNx)3多層涂層中ZrN層的厚度為6nm，Al2(O1-xNx)3(x＝0.06)層厚為1.1nm。
采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)通過(guò)直流陰極濺射金屬Zr，射頻陰極濺射Al2O3，并與真空室中Ar氣和N2氣混合氣體中的N2氣反應(yīng)生成ZrN和Al2(O1-xNx)3，并通過(guò)控制轉(zhuǎn)動(dòng)基片架分別在各靶前接受ZrN和Al2(O1-xNx)3的時(shí)間獲得ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層。涂層的硬度為30GPa，抗氧化溫度超過(guò)1000℃。
實(shí)例四ZrN/Al2(O1-xNx)3多層涂層中ZrN層的厚度為10nm，Al2(O1-xNx)3(x＝0.15)層厚為0.9nm。
采用反應(yīng)磁控濺射技術(shù)通過(guò)直流陰極濺射金屬Zr，射頻陰極濺射Al2O3，并與真空室中Ar氣和N2氣混合氣體中的N2氣反應(yīng)生成ZrN和Al2(O1-xNx)3，并通過(guò)控制轉(zhuǎn)動(dòng)基片架分別在各靶前接受ZrN和Al2(O1-xNx)3的時(shí)間獲得ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層。涂層的硬度為30.2GPa，抗氧化溫度超過(guò)1000℃。
權(quán)利要求
1.一種高硬度ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層，其特征在于，由Al2(O1-xNx)3層(1)和ZrN層(2)交替沉積在基體(3)上組成，Al2(O1-xNx)3層(1)的厚度為0.3～1.1nm，ZrN層(2)的厚度為2～10nm，納米多層涂層的總厚度為2～5μm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層，其特征是，所述的ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層中的N含量為x≤0.15。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層，其特征是，所述的ZrN層(2)與Al2(O1-xNx)3層(1)都為晶體態(tài)，并具有共格外延生長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)特征。
4根據(jù)權(quán)利要求1所述的高硬度ZrN/Al2(O1-xNx)3納米多層涂層，其特征是，所述的基體(3)，為金屬、硬質(zhì)合金或陶瓷的基體。
全文摘要
一種陶瓷材料技術(shù)領(lǐng)域的高硬度ZrN/Al
文檔編號(hào)C23C14/34GK1807089SQ20051011121
公開(kāi)日2006年7月26日 申請(qǐng)日期2005年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月8日
發(fā)明者李戈揚(yáng), 董云杉, 劉艷, 胡祖光, 許輝, 祝新發(fā) 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué), 上海工具廠有限公司