專利名稱：一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于薄膜材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法。
背景技術(shù)：
作為改善工件表面性能的有效手段，硬質(zhì)薄膜以其高硬度、高耐磨性以及高化學穩(wěn)定性被普遍用作工程機械零件的表面防護，顯著提高了工件的使用壽命。隨著對零件表面防護性能要求的提高，具有更高硬度的納米復合超硬薄膜也越來越受到材料工作者的關(guān)注，并取得了比硬質(zhì)薄膜更好的防護效果。例如，在硬質(zhì)合金刀具表面沉積維氏硬度為20GPa 24GPa的TiAIN、TiAlCrN等三元、四元硬質(zhì)薄膜，刀具的使用壽命可以提高4 6倍，工作溫度能夠提高到800°C以上。在TiSiN薄膜中摻雜C元素能夠得到組織更致密，且維氏硬度達到40GPa以上的超硬薄膜，可以將模具的使用壽命提高10倍以上。 然而，硬質(zhì)薄膜具有較高甚至超高硬度往往是以犧牲其韌性為代價的。韌性越低，薄膜的脆性就會越高，脆性很高的硬質(zhì)薄膜很容易就會在高應(yīng)力作用下發(fā)生脆性斷裂而失效。在實際的應(yīng)用中，也正是硬質(zhì)薄膜在使用過程中因表面承受較高的應(yīng)力作用而發(fā)生的脆性斷裂失效限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛使用?？蒲泄ぷ髡邆儑L試通過改變硬質(zhì)薄膜的成分配比、顯微結(jié)構(gòu)，甚至于采用多層復合結(jié)構(gòu)來改善硬質(zhì)薄膜的韌性，但仍然收效甚微。目前，硬質(zhì)薄膜的韌性均是參照塊體材料表征其斷裂韌性的方法來獲得，通常按照塊體材料的斷裂韌性Kk計算方法得到硬質(zhì)薄膜的韌性值；而測試方法則依據(jù)國家標準“GB/T 4340-2009”《金屬材料維氏硬度試驗》，采用壓入法來表征。Lawn、Evans和 Marshall (Lawn B.R, Evans A. G, Marshall D.B.Elastic/plastic indentationdamage in ceramics: the median/radial crack system. Journal of American CeramicSociety.，1980, 63:574)已經(jīng)通過計算推理證明了在壓入法測量條件下薄膜材料的韌性值與裂紋長度之間存在如下關(guān)系
if /Kic = δ{Ε/Η)2 Pj C2
V J式中Kic——斷裂韌性，單位為MPa · m1/2 ；δ —經(jīng)驗常數(shù)，無量綱；E——薄膜彈性模量,單位為MPa ；H——薄膜硬度,單位為MPa ；P——載荷，單位為N;C——裂紋長度，單位為m ；其中，δ是一個與壓痕形狀有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù)，對于維氏硬度試驗得到的維氏壓痕，δ取值為0.016 ;C是壓痕裂紋的長度，可在掃描電鏡下觀察，并且能夠通過測量裂紋尖端至壓痕中心的距離，就可以定量的表征硬質(zhì)薄膜的韌性值(Anstis G. R.，ChantikuiP. , Lawn B. Rj etal. A critical evaluation of indentation techniques for measuringfracture toughness:I，direct crack measurements. Journal of American CeramicSociety,1981，64:533)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法。該方法采用離子注入技術(shù)向硬質(zhì)薄膜中注入離子，能夠形成釘扎效應(yīng)和壓應(yīng)力效應(yīng)，用以抑制硬質(zhì)薄膜表面微裂紋的萌生，同時使硬質(zhì)薄膜在高應(yīng)力持續(xù)作用下產(chǎn)生的微裂紋尖端鈍化，阻礙其進一步向薄膜內(nèi)部擴展，以此來提高薄膜的脆性斷裂抗力，從而顯著提高硬質(zhì)薄膜的韌性，解決硬質(zhì)薄膜在使用過程中的脆性失效問題。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法，其特征在于，該方法為采用離子注入機向硬質(zhì)薄膜中注入離子，注入離子的能量為IOkev 150kev,注入離子的劑量為I X 10nions/cm2 6 X 1016ions/cm2,注入離子的種類為硬質(zhì)薄膜組成元素中的一種或幾種，所述硬質(zhì)薄膜為顯微維氏硬度不小于20GPa的金屬氮化物薄膜。上述的一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法，其特征在于，所述金屬氮化物薄膜為TiAlN 薄膜、SiCN 薄膜、TiAlSiN 薄膜、TiCrAlN 薄膜、TiSiCN 薄膜或 TiAlSiCN 薄膜。上述的一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法，其特征在于，所述金屬氮化物薄膜采用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法制備得到。上述的一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法，其特征在于，所述硬質(zhì)氮化物薄膜的厚度為5 μ m 15 μ m。上述的一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法，其特征在于，所述離子注入機為MEVVA源離子注入機。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點I、本發(fā)明采用離子注入技術(shù)向硬質(zhì)薄膜中注入與薄膜組成元素相同的一種或幾種離子，一方面能夠在薄膜表面形成釘扎效應(yīng)；另一方面，高能離子對硬質(zhì)薄膜產(chǎn)生的轟擊效應(yīng)能夠在硬質(zhì)薄膜表面引入壓應(yīng)力效應(yīng)。釘扎效應(yīng)和壓應(yīng)力效應(yīng)能夠顯著抑制薄膜表面微裂紋的萌生，同時使得硬質(zhì)薄膜在高應(yīng)力持續(xù)作用下產(chǎn)生的微裂紋尖端鈍化，阻礙其進一步向薄膜內(nèi)部擴展，以此來提高薄膜的脆性斷裂抗力。2、本發(fā)明能夠提高改善硬質(zhì)薄膜的韌性，解決硬質(zhì)薄膜在使用過程中的脆性失效問題。下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。


圖I為本發(fā)明實施例I注入離子前SiCN硬質(zhì)薄膜的壓痕斷裂形貌圖。圖2為本發(fā)明實施例I注入離子后SiCN硬質(zhì)薄膜的壓痕斷裂形貌圖。
具體實施方式
實施例I本實施例提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法為采用物理氣相沉積法(具體為電弧離子鍍輔助增強磁控濺射)在單晶Si基片表面制備厚度為10 μ m,維氏硬度為42GPa的SiCN硬質(zhì)薄膜；然后采用MEVVA源(即金屬蒸汽真空弧離子源)離子注入機向SiCN硬質(zhì)薄膜中注入離子，采用質(zhì)量純度為99. 99%的石墨靶材，注入的離子能量為lOkev，注入的離子劑量為5X 1015ions/cm2,注入的離子為碳離子。將本實施例注入離子前的SiCN硬質(zhì)薄膜在載荷為5N的條件下進行維氏硬度測試，得到的壓痕斷裂形貌如圖I所示，根據(jù)公式計算得到本實施例注入離子前SiCN硬質(zhì)薄膜的韌性值為O. 54MPa · m1/2 ;將本實施例注入離子后的SiCN硬質(zhì)薄膜在載荷為5N的條件下進行維氏硬度測試，得到的壓痕斷裂形貌如圖2所示，根據(jù)公式計算得到本實施例注入離子后SiCN硬質(zhì)薄膜的韌性值為4. 23MPa · m1/2 ;由此說明本實施例注入離子后SiCN硬質(zhì)薄膜的韌性得到顯著提高。
實施例2本實施例提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法為采用物理氣相沉積法(具體為磁控濺射)在W18Crl4V高速鋼基片表面制備厚度為8 μ m，維氏硬度為36GPa的TiAlSiN硬質(zhì)薄膜；然后采用MEVVA源(金屬蒸汽真空弧離子源)離子注入機向TiAlSiN硬質(zhì)薄膜中注入離子，采用質(zhì)量純度為99. 99%的純鋁靶材，注入的離子能量為70kev，注入的離子劑量為6 X 1016ions/cm2,注入的離子為招離子。本實施例注入離子前TiAlSiN硬質(zhì)薄膜的韌性值為O. 64MPa · m1/2，本實施例注入離子后TiAlSiN硬質(zhì)薄膜的韌性值為6. 3MPa ·πι1/2，說明本實施例注入離子后TiAlSiN硬質(zhì)薄膜的韌性得到顯著提高。實施例3本實施例提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法為采用物理氣相沉積法(具體為電弧離子鍍)在硬質(zhì)合金基片表面制備厚度為5 μ m，維氏硬度為28GPa的TiCrAlN硬質(zhì)薄膜；然后采用MEVVA源(金屬蒸汽真空弧離子源)離子注入機向TiCrAlN硬質(zhì)薄膜中注入離子，采用質(zhì)量純度為99. 99%的純鉻靶材，注入的離子能量為150kev，注入的離子劑量為
3X 1013ions/cm2,注入的離子為鉻離子。本實施例注入離子前TiCrAlN硬質(zhì)薄膜的韌性值為O. 7IMPa · m1/2，本實施例注入離子后TiCrAlN硬質(zhì)薄膜的韌性值為6. 14MPa · m1/2，說明本實施例注入離子后TiCrAlN硬質(zhì)薄膜的韌性得到顯著提高。實施例4本實施例提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法為采用化學氣相沉積法在硬質(zhì)合金基片表面制備厚度為6 μ m，維氏硬度為41GPa的TiSiCN硬質(zhì)薄膜；然后采用MEVVA源(金屬蒸汽真空弧離子源)離子注入機向TiSiCN硬質(zhì)薄膜中注入離子，采用靶材為質(zhì)量純度為99. 99%的純鈦靶材，注入的離子能量為150kev，注入的離子劑量為lX1013ionS/cm2，注入的離子為鈦離子。本實施例注入離子前TiSiCN硬質(zhì)薄膜的韌性值為O. 54MPa *m1/2,本實施例注入離子后TiSiCN硬質(zhì)薄膜的韌性值為4. 23MPa · m1/2，說明本實施例注入離子后TiSiCN硬質(zhì)薄膜的韌性得到顯著提高。
實施例5本實施例提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法為采用化學氣相沉積法在硬質(zhì)合金基片表面制備厚度為12 μ m,維氏硬度為20GPa的TiAlN硬質(zhì)薄膜；然后采用MEVVA源(金屬蒸汽真空弧離子源)離子注入機向TiAlN硬質(zhì)薄膜中注入離子，采用靶材為質(zhì)量純度為99. 99%的純鈦靶材和質(zhì)量純度為99. 99%的石墨靶材，注入的離子能量為150kev，注入的離子劑量為IX 1012ions/cm2,注入的離子為鈦離子和碳離子。本實施例注入離子前TiAlN硬質(zhì)薄膜的韌性值為O. 50MPa · m1/2，本實施例注入離子后TiAlN硬質(zhì)薄膜的韌性值為4. 12MPa · m1/2，說明本實施例注入離子后TiAlN硬質(zhì)薄膜的韌性得到顯著提高。實施例6本實施例提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法為采用物理氣相沉積法(具體為真空蒸 鍍)在硬質(zhì)合金基片表面制備厚度為15 μ m,維氏硬度為45GPa的TiAlSiCN硬質(zhì)薄膜 ’然后采用MEVVA源(金屬蒸汽真空弧離子源)離子注入機向TiAlSiCN硬質(zhì)薄膜中注入離子，采用質(zhì)量純度為99. 99%的純鋁靶材和質(zhì)量純度為99. 99%的純鈦靶材，注入的離子能量為150kev,注入的尚子劑量為3 X 1013ions/cm2,注入的尚子為招尚子和欽尚子。本實施例注入離子前TiAlSiCN硬質(zhì)薄膜的韌性值為2. 05MPa *m1/2,本實施例注入離子后TiAlSiCN硬質(zhì)薄膜的韌性值為9. 57MPa · m1/2，說明本實施例注入離子后TiAlSiCN硬質(zhì)薄膜的韌性得到顯著提高。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法，其特征在于，該方法為采用離子注入機向硬質(zhì)薄膜中注入離子，注入離子的能量為IOkev 150kev,注入離子的劑量為lX10nions/cm2 6X1016ionS/cm2，注入離子的種類為硬質(zhì)薄膜組成元素中的一種或幾種，所述硬質(zhì)薄膜為維氏硬度不小于20GPa的金屬氮化物薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法，其特征在于，所述金屬氮化物薄膜為TiAlN薄膜、SiCN薄膜、TiAlSiN薄膜、TiCrAlN薄膜、TiSiCN薄膜或TiAlSiCN薄膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法，其特征在于，所述金屬氮化物薄膜采用物理氣相沉積法或化學氣相沉積法制備得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法，其特征在于，所述金屬氮化物薄膜的厚度為5 μ m 15 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法，其特征在于，所述離子注入機為MEVVA源離子注入機。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種提高硬質(zhì)薄膜韌性的處理方法，該方法為采用離子注入機向硬質(zhì)薄膜中注入離子，注入離子的能量為10kev～150kev，注入離子的劑量為1×1011ions/cm2～6×1016ions/cm2，注入離子的種類為硬質(zhì)薄膜組成元素中的一種或幾種，所述硬質(zhì)薄膜為維氏硬度不小于20GPa的金屬氮化物薄膜。本發(fā)明采用離子注入技術(shù)向硬質(zhì)薄膜中注入離子，能夠形成釘扎效應(yīng)和壓應(yīng)力效應(yīng)，用以抑制硬質(zhì)薄膜表面微裂紋的萌生，同時使硬質(zhì)薄膜的微裂紋尖端鈍化，阻礙其進一步向薄膜內(nèi)部擴展，以此來提高薄膜的脆性斷裂抗力，從而顯著提高硬質(zhì)薄膜的韌性，解決硬質(zhì)薄膜在使用過程中的脆性失效問題。
文檔編號C23C14/48GK102965635SQ20121054059
公開日2013年3月13日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者王彥峰, 李爭顯, 王寶云, 杜繼紅, 華云峰, 姬壽長 申請人:西北有色金屬研究院