專利名稱：一種ZrVN納米復(fù)合膜及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種涂層及其制備方法，特別是一種ZrVN納米復(fù)合膜及其制備方法，屬于陶瓷涂層技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
過渡族金屬氮化物，如TiN，由于具有較高的硬度和耐磨性，并且耐腐蝕性能優(yōu)良，不但可以作為耐磨涂層，模具和切削刀具的表面強化，而且在表面腐蝕和裝飾的許多工業(yè)領(lǐng)域也有重要的用途。相比于TiN薄膜，ZrN薄膜具有化學及熱穩(wěn)定性高，硬度大，電阻率低，耐磨性好以及類似于黃金的金黃色等一系列優(yōu)異的性能，因此，近年來ZrN薄膜的研究 日益受到重視。然而，隨著制造技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是高速切削、干式切削等工藝的出現(xiàn)，對刀具在極端服役條件下的切削性能提出了更高的要求，二元的ZrN單層膜已經(jīng)不能滿足這種極端條件。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的涂層硬度不夠高、耐磨性不夠好的不足，本發(fā)明提供了一種ZrVN納米復(fù)合膜及其制備方法，具有較高生產(chǎn)效率，兼具高硬度和優(yōu)異摩擦磨損性能，尤其是高溫摩擦磨損性能，可作為高速、干式切削等極端服役條件下的涂層。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種ZrVN納米復(fù)合膜，采用真空雙靶射頻反應(yīng)濺射法以不銹鋼為基片制備得到，采用Zr和V靶進行真空雙靶射頻反應(yīng)濺射沉積Zr和V，同時通入Ar和N2,反應(yīng)得到ZrVN納米復(fù)合膜；ZrVN納米復(fù)合膜厚度為I 3微米，ZrVN復(fù)合膜呈fee結(jié)構(gòu)，ZrVN復(fù)合膜為沿111面擇優(yōu)生長，V ( 25. 8at. %時，ZrVN納米復(fù)合膜的硬度彡29GPa，當44. 4at. % ^ V ^ 37. 4at. %時，ZrVN納米復(fù)合膜的硬度在18. 5GPa 29GPa。所述的不銹鋼基片上設(shè)有Zr襯底層，厚度為100 120nm。一種制備所述的ZrVN納米復(fù)合膜的方法，采用真空雙靶射頻反應(yīng)濺射法制備得至丨J，采用Zr和V靶進行真空雙靶射頻反應(yīng)濺射方法在不銹鋼基片上共同沉積Zr和V，同時通入Ar和N2，最終得到ZrVN納米復(fù)合膜，Zr靶功率固定為200W，C靶功率選擇30 IlOW之間任意值。沉積之前，通過擋板隔離基片與離子區(qū)，Zr和V靶先進行10分鐘的預(yù)濺射。在不銹鋼基片上先沉積一層Zr為襯底層，厚度為100 120nm。Ar氣流量為IOsccm, N2氣流量為2sccm。有益效果1.本發(fā)明通過改變V含量，從而使ZrVN納米復(fù)合膜能夠獲得最高27. 3GPa的硬度，高于ZrN單一薄膜。ZrVN復(fù)合膜呈fee結(jié)構(gòu)，加入V使得ZrVN復(fù)合膜由沿(200)面擇優(yōu)生長轉(zhuǎn)變?yōu)檠?111)面擇優(yōu)生長，VS 25. 8at. %時，ZrVN納米復(fù)合膜的硬度彡29GPa，當V彡37. 4at. %時，ZrVN納米復(fù)合膜的硬度急劇降低，V含量為44. 4at. %時僅為18. 5GPa。
2.本發(fā)明制備的ZrVN納米復(fù)合膜在700°C高溫下的最低摩擦系數(shù)為O. 41，高溫摩擦磨損性能明顯優(yōu)于ZrN單一薄膜。
3.本發(fā)明通過控制V靶的功率以達到調(diào)節(jié)復(fù)合膜中V含量的目的，選擇不同的V 含量以控制最終得到的膜的微觀結(jié)構(gòu)，力學性能及摩擦磨損性能。常溫下，V含量的越高，薄膜摩擦系數(shù)越低，摩擦磨損性能越好，ZrVN復(fù)合膜的常溫摩擦系數(shù)則隨著V含量的增加略顯單調(diào)遞減的趨勢。不同溫度下進行摩擦磨損實驗時，由于ZrVN復(fù)合膜中生成了不同V的氧化物導(dǎo)致薄膜的摩擦系數(shù)變化較大，其中300°C高溫摩擦磨損時，ZrVN薄膜中出現(xiàn)V2O3, 但薄膜的摩擦系數(shù)并未發(fā)生明顯變化。500 V摩擦磨損時，ZrVN薄膜中出現(xiàn)Magn61 i相V2O5, 薄膜的摩擦系數(shù)降低，隨著溫度升高，V2O5含量逐漸升高，導(dǎo)致ZrVN薄膜的摩擦系數(shù)急劇下降，當溫度升高到700°C時，由于薄膜中生成了 Magn6li相V2O5，薄膜的摩擦系數(shù)僅為O. 40。 V含量過高時，薄膜的硬度也會急劇降低，因此選擇合適的V含量使得薄膜具有優(yōu)異的常溫及高溫摩擦磨損性能的同時又兼具高硬度就顯得尤為重要。


圖1本發(fā)明ZrVN納米復(fù)合薄膜的Zr、V含量與V靶功率的關(guān)系圖。
圖2本發(fā)明ZrVN納米復(fù)合薄膜的XRD譜圖。
圖3本發(fā)明ZrVN納米復(fù)合薄膜的硬度與V含量的關(guān)系圖。
圖4本發(fā)明ZrVN納米復(fù)合薄膜的常溫摩擦系數(shù)與V含量的關(guān)系圖。
圖5本發(fā)明ZrVN納米復(fù)合薄膜不同溫度下的摩擦系數(shù)圖。
具體實施方式

本發(fā)明所述ZrVN納米復(fù)合膜制備過程如下
薄膜制備采用JGP450型多靶磁控濺射儀，它由2個RF濺射槍和一個DC濺射槍組成，基片架與濺射槍的間距為78mm。將純度為99. 9 %的Zr靶和純度為99. 5 %的V靶分別裝在2個RF濺射槍上，靶材的尺寸為直徑75臟，厚度5mm。真空室本底真空大于6. O X 10_4Pa。 將基片樣品裝入真空室內(nèi)可旋轉(zhuǎn)的基片架上，向真空室內(nèi)通入純度均為99. 999%的Ar和 N2，其中Ar氣流量為108(3011，隊氣流量為2sccm，工作氣壓控制在O. 3Pa。制備ZrVN薄膜的過程中，Zr靶功率保持在200W，V靶功率分別為30、50、70、90和110W，從而制備不同V含量的ZrVN復(fù)合膜。沉積之前，通過擋板隔離基片與離子區(qū)，Zr和V靶進行10分鐘的預(yù)濺射。 在制備ZrVN復(fù)合膜之前先在基片表面沉積厚度約為IOOnm的Zr層作為過渡層，然后再沉積厚度約I 3 μ m的ZrVN薄膜。
以下結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供實施例
實施例1
本發(fā)明ZrVN復(fù)合薄膜的制備方法的具體工藝參數(shù)為基片為潔凈干燥的不銹鋼基片，Ar氣流量為108(3011，隊氣流量為2sccm。Zr靶濺射功率為200W，V靶濺射功率為30W， 沉積2h，膜厚約2微米。由此得到的ZrVN復(fù)合薄膜中Zr的含量為95. 2% (原子分數(shù)，下同)，V的含量為4. 8%，薄膜的硬度為27. 3GPa，常溫摩擦系數(shù)為O. 67。
實施例2
本發(fā)明ZrVN復(fù)合薄膜的制備方法的具體工藝參數(shù)為基片為潔凈干燥的不銹鋼基片，Ar氣流量為108(3011，隊氣流量為2sccm。Zr靶濺射功率為200W，V靶濺射功率為50W， 沉積2h，膜厚約2微米。由此得到的ZrVN復(fù)合薄膜中Zr的含量為83%，V的含量為17%， 薄膜的硬度為27GPa，常溫摩擦系數(shù)為O. 64。
實施例3
本發(fā)明ZrVN復(fù)合薄膜的制備方法的具體工藝參數(shù)為基片為潔凈干燥的不銹鋼基片，Ar氣流量為lOsccm，N2氣流量為2sCCm。Zr靶濺射功率為200W，V靶濺射功率為 70W，沉積2h，膜厚約2微米。由此得到的ZrVN復(fù)合薄膜中Zr的含量為74. 3%，V的含量為25. 8%，薄膜的硬度為26. 7GPa，常溫摩擦系數(shù)為O. 63。
實施例4
本發(fā)明ZrVN復(fù)合薄膜的制備方法的具體工藝參數(shù)為基片為潔凈干燥的不銹鋼基片，Ar氣流量為lOsccm，N2氣流量為2sCCm。Zr靶濺射功率為200W，V靶濺射功率為 90W，沉積2h，膜厚約2微米。由此得到的ZrVN復(fù)合薄膜中Zr的含量為62. 6%, V的含量為37.4%，薄膜的硬度為21GPa，常溫摩擦系數(shù)為0.62。300°C摩擦磨損時薄膜的摩擦系數(shù)為O. 63，500°C摩擦磨損時薄膜的摩擦系數(shù)為O. 60，600°C摩擦磨損時薄膜的摩擦系數(shù)為 O. 49，700°C摩擦磨損時薄膜的摩擦系數(shù)為O. 40。
實施例5
本發(fā)明ZrVN復(fù)合薄膜的制備方法的具體工藝參數(shù)為基片為潔凈干燥的不銹鋼基片，Ar氣流量為lOsccm，N2氣流量為2sCCm。Zr靶濺射功率為200W，V靶濺射功率為 110W，沉積2h，膜厚約2微米 。由此得到的ZrVN復(fù)合薄膜中Zr的含量為55. 6%,V的含量為44. 4%，薄膜的硬度為13. 8GPa，常溫摩擦系數(shù)為O. 57。
以上述實施例制備的ZrVN復(fù)合膜進行實驗繪制得到圖1 5，由圖1 5可以看出
圖1為ZrVN納米復(fù)合薄膜的Zr、V含量與V靶功率的關(guān)系圖。
圖2為ZrVN納米復(fù)合薄膜的XRD譜圖。可以看出，ZrVN薄膜呈fee結(jié)構(gòu)，具有 (111)、(200)和(222)晶面的衍射峰。在ZrN薄膜中，ZrN相主要呈現(xiàn)(200)擇優(yōu)取向，而 V的加入使得ZrVN薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)?111)面擇優(yōu)取向。隨著V含量的增加，薄膜各衍射峰整體向大角度方向偏移。當V含量增加到44. 4%原子分數(shù)時，ZrVN薄膜中出現(xiàn)了 VN(Ill)晶面衍射峰。
圖3為ZrVN納米復(fù)合薄膜的硬度與V含量的關(guān)系圖?？梢钥闯鯶rN薄膜的硬度為26. 4GPa，隨著V含量的增加，薄膜的硬度逐漸升高，當V含量為4. 8%原子分數(shù)時，薄膜的硬度達到最高值，為27. 3GPa。V含量繼續(xù)增加，薄膜的硬度開始降低。
圖4為ZrVN納米復(fù)合薄膜的常溫摩擦系數(shù)與V含量的關(guān)系圖?？梢姡S著V含量的增加，薄膜的摩擦系數(shù)略呈降低趨勢，但降低并不明顯。這說明加入V并不能明顯的改善 ZrVN薄膜的常溫摩擦性能。
圖5為ZrVN納米復(fù)合薄膜不同溫度下的摩擦系數(shù)圖。ZrVN薄膜在常溫下的摩擦系數(shù)為O. 6321，隨溫度升高，薄膜的摩擦系數(shù)逐漸降低。
權(quán)利要求
1.一種ZrVN納米復(fù)合膜，采用真空雙靶射頻反應(yīng)濺射法以不銹鋼為基片制備得到，其特征在于，采用Zr和V靶進行真空雙靶射頻反應(yīng)濺射沉積Zr和V，同時通入Ar和N2,反應(yīng)得到ZrVN納米復(fù)合膜；ZrVN納米復(fù)合膜厚度為I 3微米，ZrVN復(fù)合膜呈fee結(jié)構(gòu)，ZrVN復(fù)合膜為沿111面擇優(yōu)生長，V ( 25. 8at. %時，ZrVN納米復(fù)合膜的硬度彡29GPa，當44.4at. V ^ 37. 4at. %時，ZrVN 納米復(fù)合膜的硬度在 18. 5GPa 29GPa。
2.如權(quán)利要求1所述的ZrVN納米復(fù)合膜，其特征在于，所述的不銹鋼基片上設(shè)有Zr襯底層，厚度為100 120nm。
3.一種制備權(quán)利要求1或2所述的ZrVN納米復(fù)合膜的方法，采用真空雙靶射頻反應(yīng)濺射法制備得到，其特征在于，采用Zr和V靶進行真空雙靶射頻反應(yīng)濺射方法在不銹鋼基片上共同沉積Zr和V，同時通入Ar和N2，最終得到ZrVN納米復(fù)合膜，Zr靶功率固定為200W，C靶功率選擇30 IlOW之間任意值。
4.如權(quán)利要求3所述的制備ZrVN納米復(fù)合膜的方法，其特征在于，沉積之前，通過擋板隔離基片與離子區(qū)，Zr和V靶先進行10分鐘的預(yù)濺射。
5.如權(quán)利要求3所述的制備ZrVN納米復(fù)合膜的方法，其特征在于，在不銹鋼基片上先沉積一層Zr為襯底層，厚度為100 120nm。
6.如權(quán)利要求3所述的制備ZrVN納米復(fù)合膜的方法，其特征在于，Ar氣流量為IOsccm, N2 氣流量為 2sccm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種ZrVN納米復(fù)合膜及其制備方法，采用雙靶射頻反應(yīng)濺射法以不銹鋼為基底層制備得到，ZrVN納米復(fù)合膜厚度為1～3微米，V≤25.8at.％時，ZrVN納米復(fù)合膜的硬度≥29GPa，當V≥37.4at.％時，ZrVN納米復(fù)合膜的硬度≥13.8GPa。研究了復(fù)合膜中生成的不同V的氧化物在不同溫度下的摩擦磨損機理，其中700℃時，薄膜的摩擦系數(shù)僅為0.40。
文檔編號C23C14/06GK102994945SQ201210469790
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月19日
發(fā)明者喻利花, 許俊華, 馬冰洋 申請人:江蘇科技大學