本發(fā)明屬于金屬材料表面沉積納米復(fù)合涂層技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氮化鈦銀(以下稱Ti-Ag-N)納米復(fù)合涂層及其制備方法。

背景技術(shù)：
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目前，隨著國家先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，對傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金或者高速鋼刀具提出了越來越高的要求。以數(shù)控機(jī)床為代表的機(jī)加工技術(shù)正朝著高速、高精度、高可靠性等方向發(fā)展。數(shù)控刀具表面涂層技術(shù)，尤其是以CVD及PVD制備的以TiN為代表的涂層刀具在提高各種合金的加工效率過程中獲得了廣泛的應(yīng)用，以及隨后開發(fā)出TiC、TiCN、TiAlN、AlTiN、CrAlN等涂層被開發(fā)出來并獲得實(shí)際應(yīng)用，但是因?yàn)榍邢鬟^程中的高溫對涂層的氧化、切屑對涂層的粘著磨損以及涂層本身的脆性問題，上述合金的加工難題并未得到徹底解決。例如，TiAlN涂層具有高硬度及良好的抗高溫氧化性能，明顯提高了加工效率及刀具使用壽命，但其較高的脆性及摩擦系數(shù)，限制了TiAlN等涂層在高速、干切削及難切削合金等材料的應(yīng)用，還限制了其在高精度模具及其它耐磨減摩工件涂層方面的實(shí)際應(yīng)用。

如何進(jìn)一步降低TiAlN等涂層的脆性，突破當(dāng)前涂層內(nèi)應(yīng)力大、膜基結(jié)合力差的問題，放置涂層在磨損之前因韌性較差而脫落上上述涂層需要繼續(xù)完善的目標(biāo)。

為解決以上問題，在20世紀(jì)末提出了納米復(fù)合涂層的概念，即由納米晶-納米晶或納米晶-非晶形成的兩相或兩相以上的復(fù)合結(jié)構(gòu)，該復(fù)合涂層得到了一定開發(fā)與應(yīng)用，如Blazers、Platit等國際涂層大公司開發(fā)了電弧離子鍍制備的nc-TiN/a-Si₃N₄納米復(fù)合涂層，其抗高溫氧化性能和韌性得到了一定提高，但在實(shí)際應(yīng)用中，nc-TiN/a-Si₃N₄納米復(fù)合涂層的高摩擦系數(shù)導(dǎo)致切削過程中產(chǎn)生大量熱量，涂層刀具前刀面依然產(chǎn)生積屑瘤，且其韌性仍有待進(jìn)一步改善。

因此，制備一種能具有較高硬度與高韌性且具有較低摩擦系數(shù)的新型復(fù)合涂層，對進(jìn)一步提高刀模具性能及使用壽命十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的技術(shù)目的是針對現(xiàn)有涂層材料體系的不足，提供一種具有較高硬度與高韌性且具有較低摩擦系數(shù)的Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層及其制備方法。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)上述目的采用的技術(shù)方案為：

一種Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層，按離基體的遠(yuǎn)近區(qū)分，從內(nèi)到外依次包括：在基體表面Ti膜形成的過渡層、TiN膜形成的中間層和Ti-Ag-N層。所說的基體是指不銹鋼、硬質(zhì)合金、高速鋼、耐熱模具鋼的工具或模具等。

所說的Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于：

(1)鍍過渡層：采用純鈦靶，當(dāng)真空室內(nèi)真空度達(dá)到2×10^-3Pa～4×10^-2Pa時(shí)，對真空室加熱至300～500℃；向真空室通入氬氣，設(shè)定所需的氣體流量為30～300sccm，氣壓控制在0.5～2Pa之間；基體加脈沖負(fù)偏壓在-500～-1000V范圍，使氣體發(fā)生輝光放電，對樣品進(jìn)行輝光清洗10～60min；調(diào)整氬氣流量，使真空室氣壓為0.1～1.0Pa，同時(shí)開啟鈦靶弧源，弧電流為60～150A，對樣工件繼續(xù)進(jìn)行Ti離子轟擊1～20min；調(diào)脈沖負(fù)偏壓至-100V～-600V，沉積Ti膜即過渡層1～10min；

(2)鍍TiN層：采用純鈦靶，停氬氣，通氮?dú)猓O(shè)定氣壓為0.2～2Pa范圍；對基體施加脈沖負(fù)偏壓-100V～-500V；調(diào)節(jié)靶電流為50～150A，沉積時(shí)間為1～20min；

(3)鍍Ti-Ag-N層：停氬氣，通氮?dú)?，氮?dú)饬髁靠刂圃?0～200sccm，設(shè)定氣壓為0.2～2Pa范圍；對基體施加脈沖負(fù)偏壓-100V～-600V；調(diào)制靶電流為60～200A，沉積時(shí)間為20～300min；

(4)沉積結(jié)束后，迅速?；　⑼；w脈沖負(fù)偏壓、停止通入氣體，繼續(xù)抽真空，工件隨爐冷卻至100℃以下，打開真空室，取出工件，全部的鍍膜過程結(jié)束。

優(yōu)選的，在所使用的鈦銀合金靶的靶材中，銀的含量為5-40％(重量百分比)。Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層的厚度為1-10微米，Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層的納米壓痕硬度值為30GPa以上，Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層與鋼球?qū)δサ哪Σ料禂?shù)在0.3以下。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明是在基體表面依次是Ti膜形成的過渡層、TiN膜形成的中間層和Ti-Ag-N層，膜基結(jié)合力達(dá)到60N以上，圖2為本發(fā)明沉積的Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層樣品的膜基結(jié)合力測試曲線圖，從曲線可以看出，涂層的膜基結(jié)合力為64N，顯示出較高的結(jié)合力。

2、本發(fā)明選擇與TiN完全不固溶的Ag加入TiN薄膜中，不固溶的Ag偏析在TiN晶界位置，細(xì)化了TiN的晶粒尺寸，而Ag也以納米晶或非晶結(jié)構(gòu)析出，容易發(fā)生塑性變形的金屬Ag的加入不僅大大降低了涂層內(nèi)應(yīng)力，提高了涂層硬度及斷裂韌性，而且對TiN的磨損起到潤滑和減摩作用，大大降低了涂層的摩擦系數(shù)。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明沉積的Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層的橫截面掃描電鏡圖；

圖2為本發(fā)明沉積的Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層樣品的膜基結(jié)合力測試曲線圖。

具體實(shí)施方式：

一種Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層，按離基體的遠(yuǎn)近區(qū)分，從內(nèi)到外依次包括：Ti膜形成的過渡層、TiN膜形成的中間層和Ti-Ag-N層。所說的基體是指不銹鋼、硬質(zhì)合金、高速鋼、耐熱模具鋼的工具或模具等。

具體的Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層的制備方法，實(shí)施例如下：

實(shí)施例1

鍍過渡層：基材采用高速鋼(牌號為W18Cr4V)，試樣尺寸為25mm×10mm×2mm，鍍膜面尺寸為25mm×10mm。鍍膜前表面先經(jīng)過研磨、拋光、超聲清洗、干燥后，放入真空室樣品臺(tái)上，待真空室內(nèi)真空度達(dá)到6×10^-3Pa時(shí)，對真空室加熱至400℃，向真空室通入氬氣，設(shè)定氣體流量為100sccm，氣壓控制在2.0Pa，基體加脈沖負(fù)偏壓-800V，對樣品進(jìn)行輝光清洗20min；然后，調(diào)整氬氣氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為0.2Pa，同時(shí)開啟鈦靶弧源，弧流穩(wěn)定在70A，對樣品進(jìn)行Ti離子轟擊5min；調(diào)脈沖負(fù)偏壓至-300V，沉積Ti膜3min；而后，采用純鈦靶，停氬氣通入氮?dú)?，調(diào)整氣壓為1.5Pa；調(diào)整基體脈沖負(fù)偏壓為-300V，調(diào)整靶電流為90A，沉積TiN膜3min；此后，進(jìn)入納米復(fù)合涂層沉積過程，停純鈦靶，開啟鈦銀靶，氮?dú)鈿鈮赫{(diào)整為0.9Pa；調(diào)脈沖負(fù)偏壓-400V，調(diào)整靶電流為110A，沉積時(shí)間為60min；沉積結(jié)束后，迅速?；?、?；w脈沖負(fù)偏壓、停止通入氣體，繼續(xù)抽真空，工件隨爐冷卻至100℃以下，打開真空室，取出工件，鍍膜過程結(jié)束。

所得Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層外觀為金黃色，掃描電鏡測試涂層的總厚度為3.1微米；納米壓痕測試涂層硬度為28.6GPa，聲發(fā)射劃痕儀測試涂層結(jié)合力為72N。

實(shí)施例2

基材采用硬質(zhì)合金(牌號為YG6)，試樣尺寸為20mm×20mm×4mm，鍍膜面尺寸為20mm×20mm。鍍膜前表面先經(jīng)過研磨、拋光、超聲清洗、干燥后，放入真空室樣品臺(tái)上，待真空室內(nèi)真空度達(dá)到4×10^-3Pa時(shí)，打開氣體質(zhì)量流量控制器，通氬氣到1.0Pa，基體加脈沖負(fù)偏壓至-600V，對樣品進(jìn)行輝光清洗15min；然后，調(diào)整氬氣氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為0.6Pa，同時(shí)開啟鈦靶弧源，弧流穩(wěn)定在80A，對樣品進(jìn)行Ti離子轟擊5min；調(diào)脈沖負(fù)偏壓至-300V，沉積Ti金屬層3min；而后，采用純鈦靶，停氬氣通入氮?dú)?，調(diào)整氣壓為1.0Pa；調(diào)整基體脈沖負(fù)偏壓為-300V，調(diào)整靶電流為90A，沉積TiN膜6min；此后，進(jìn)入納米復(fù)合涂層沉積過程，停純鈦靶，開啟鈦銀靶，氮?dú)鈿鈮赫{(diào)整為0.8Pa；調(diào)脈沖負(fù)偏壓-400V，調(diào)整靶電流為110A，沉積Ti-Ag-N膜30min；沉積結(jié)束后，迅速停弧、停基體脈沖負(fù)偏壓、停止通入氣體，繼續(xù)抽真空，工件隨爐冷卻至100℃以下，打開真空室，取出工件，鍍膜過程結(jié)束。

所得Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層外觀為金黃色，掃描電鏡測試涂層的總厚度為1.6微米；納米壓痕測試涂層硬度為31.6GPa，聲發(fā)射劃痕儀測試涂層結(jié)合力為64N。

實(shí)施例3

基材采用高速鋼(牌號為W6Mo5Cr4V2)，試樣尺寸為20mm×10mm×2mm，鍍膜面尺寸為20mm×10mm。鍍膜前表面先經(jīng)過研磨、拋光、超聲清洗、干燥后，放入真空室樣品臺(tái)上，待真空室內(nèi)真空度達(dá)到4×10^-3Pa時(shí)，通氬氣到2.0Pa，基體加脈沖負(fù)偏壓至-700V，對樣品進(jìn)行輝光清洗30min；然后，調(diào)整Ar氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為0.3Pa，同時(shí)開啟鈦靶弧源，弧流穩(wěn)定在80A，對樣品進(jìn)行Ti離子轟擊8min；采用純鈦靶，停氬氣通入氮?dú)?，調(diào)整氣壓為1.0Pa；調(diào)整基體脈沖負(fù)偏壓為-300V，調(diào)整靶電流為90A，沉積TiN膜6min；此后，進(jìn)入納米復(fù)合涂層沉積過程，停純鈦靶，開啟鈦銀靶，調(diào)整氮?dú)鈿鈮簽?.2Pa；調(diào)整基體脈沖負(fù)偏壓至-200V，調(diào)整靶電流為95A，沉積Ti-Ag-N膜60min；沉積結(jié)束后，迅速?；　⑼；w偏壓、停止通入氣體，繼續(xù)抽真空，工件隨爐冷卻至100℃以下，打開真空室，取出工件，鍍膜過程結(jié)束。

所得Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層外觀為金黃色，掃描電鏡測試涂層的總厚度為4.5微米；納米壓痕測試涂層硬度為30.1GPa，聲發(fā)射劃痕儀測試涂層結(jié)合力為79N。

實(shí)施例4

基材采用硬質(zhì)合金(牌號為YT5)，試樣尺寸為20mm×20mm×4mm，鍍膜面尺寸為20mm×20mm。鍍膜前表面先經(jīng)過研磨、拋光、超聲清洗、干燥后，放入真空室樣品臺(tái)上，待真空室內(nèi)真空度達(dá)到4×10^-3Pa時(shí)，打開氣體質(zhì)量流量控制儀，通氬氣到氣壓1.0Pa，基體加脈沖負(fù)偏壓至-1000V，對樣品進(jìn)行輝光清洗10min；然后，調(diào)整Ar氣流量，使真空室氣壓調(diào)整為0.4Pa，同時(shí)開啟鈦靶弧源，弧流穩(wěn)定在80A，對樣品進(jìn)行Ti離子轟擊4min；而后，采用純鈦靶，停氬氣通入氮?dú)?，調(diào)整氣壓為0.9Pa；調(diào)整基體脈沖負(fù)偏壓為-100V，調(diào)整靶電流為90A，沉積TiN膜6min；此后，進(jìn)入納米復(fù)合涂層沉積過程，停純鈦靶，開啟鈦銀靶，調(diào)整氮?dú)鈿鈮簽?.4Pa；調(diào)整基體脈沖負(fù)偏壓至-400V，調(diào)整靶電流為95A，沉積Ti-Ag-N膜60min；沉積結(jié)束后，迅速停弧、?；w偏壓、停止通入氣體，繼續(xù)抽真空，工件隨爐冷卻至100℃以下，打開真空室，取出工件，本次鍍膜過程結(jié)束。

所得Ti-Ag-N納米復(fù)合涂層外觀為金黃色，掃描電鏡測試涂層的總厚度為3.6微米；納米壓痕測試涂層硬度為32.1GPa，聲發(fā)射劃痕儀測試涂層結(jié)合力為73N。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。