一種氮化鈦鋁鈮氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法
【專利摘要】一種氮化鈦鋁鈮氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法，其制備方法依次包括：1、沉積技術(shù)及靶材成分的確定；2、工件的選擇與前處理；3、預(yù)轟擊工藝的確定；4、沉積工藝的確定；5、真空加熱處理；6、工件旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明降低了鍍膜成本，保證了膜層高附著力、高硬度和高熱震性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，減小了膜層內(nèi)應(yīng)力，并具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
【專利說(shuō)明】一種氮化鈦鋁鈮氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法，特別是采用組合靶制備多弧離子鍍氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的方法，比如氮化鈦鋁鈮氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜(以下使用“TiAlNbN”來(lái)代替“氮化鈦鋁鈮”)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多弧離子鍍是一種設(shè)有多個(gè)可同時(shí)蒸發(fā)的陰極弧蒸發(fā)源的真空物理沉積技術(shù)，具有沉積速度快、膜層組織致密、附著力強(qiáng)、均勻性好等顯著特點(diǎn)。該技術(shù)適用于硬質(zhì)膜及硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備，并在氮化鈦，氮化鈦鋁以及更多元的硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方面獲得成功應(yīng)用。氮化鈦鋁，氮化鈦鈮等鈦基硬質(zhì)反應(yīng)膜由于硬度高、摩擦系數(shù)小、耐熱性強(qiáng)等各自特性而比氮化鈦膜更具有開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。
[0003]對(duì)于單層的以鈦為基的多組元硬質(zhì)反應(yīng)膜而言，主要存在以下缺點(diǎn):1、一般容易出現(xiàn)膜層硬度與膜層附著力之間的矛盾，即硬度與附著力難以同時(shí)滿足；2、多組元合金靶市場(chǎng)上不易購(gòu)買(mǎi)，常常需要專門(mén)熔煉、加工，不僅成本較高，而且周期較長(zhǎng)；3、容易在膜層中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，影響硬質(zhì)膜的熱震性能，進(jìn)而影響使用效果和使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種氮化鈦鋁鈮(TiAlNbN)氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法，該方法降低了鍍膜成本，保證了膜層高附著力、高硬度和高熱震性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，減小了膜層內(nèi)應(yīng)力，并具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種氮化鈦鋁鈮(TiAlNbN)氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法依次包括:·
1、沉積技術(shù)及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為T(mén)iAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備技術(shù)，選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積，其中一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T(mén)1:Nb=75:25 ;另一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鋁合金靶，鈦鋁合金靶的原子比為T(mén)1:Al=50:50。
[0006]2、工件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼作為工件材料，在放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對(duì)工件進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用。
[0007]3、預(yù)轟擊工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而在沉積之前進(jìn)行的離子轟擊工藝，當(dāng)鍍膜室背底真空度達(dá)到8.(T 10_3帕、溫度達(dá)到200° C時(shí)充入氬氣，使鍍膜室真空度達(dá)到2.5' IO-1帕，開(kāi)啟兩弧源，保持弧電流在55~56安培，進(jìn)行離子轟擊10-?2分鐘,轟擊偏壓從350伏逐漸增加到400伏。
[0008]4、沉積工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而采用的沉積工藝，鍍膜過(guò)程分為三個(gè)階段，第一步，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強(qiáng)保持在2.0-ΙΟ—1帕，鈦鋁合金靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為150-200伏，沉積時(shí)間5分鐘；第二步，向鍍膜室內(nèi)通入氮?dú)?，使其分壓?qiáng)達(dá)到Ι.Ο'ΙΟ-1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強(qiáng)保持在2.5r 10 1帕,鈦招合金祀和鈦銀合金祀的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為150-200伏，沉積時(shí)間20分鐘；第三步，關(guān)閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續(xù)增加氮?dú)饬髁?，使其壓?qiáng)達(dá)到2.5' IO-1帕，鈦鋁合金靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為150~200伏，沉積時(shí)間30分鐘。
[0009]5、真空加熱處理:包括工件加熱和膜層烘烤，工件加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在鍍膜室背底真空達(dá)到3.(Τ 10_2帕?xí)r開(kāi)始工件加熱，升溫速度保持在3~5° C /分鐘，一小時(shí)后可以達(dá)到200° C ;膜層烘烤是指沉積過(guò)程結(jié)束后對(duì)所沉積的TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行后加熱烘烤，采用小電流進(jìn)行微加熱10-15分鐘，電流逐漸從70安培降低到50安培。
[0010]6、工件旋轉(zhuǎn):在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個(gè)過(guò)程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4飛轉(zhuǎn)/分鐘。
[0011]按照本發(fā)明所提出的采用鈦鈮合金靶和鈦鋁合金靶組合靶制備多弧離子鍍TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的方法，可以獲得上述的TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜，該TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的氮含量呈梯度分布，附著力強(qiáng)(3 200Ν)，硬度高(3HV3200)，抗熱震性強(qiáng)(650° C熱震循環(huán)達(dá)到13~15次)。
[0012]同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明確定了常規(guī)通用的多弧離子鍍作為T(mén)iAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備技術(shù)，確定了商用鈦鈮合金靶和鈦鋁合金靶作為電弧源，避免了專門(mén)冶煉、制備鈦鋁鈮合金靶的局限性，降低了鍍膜成本；本發(fā)明確定了靶材成分、數(shù)量及配置方位，確定了商用高速鋼作為工件材料，確定了工件前處理工藝和沉積工藝，保證了膜層高硬度、高附著力和高抗熱震性的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，并具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，從而更加有利于提高TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的耐磨壽命，更適合于在刀具行業(yè)的應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例1
在商用高速鋼(W18Cr4V)上制備TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜，其方法是:
1、沉積技術(shù)及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為T(mén)iAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備技術(shù)，選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積，其中一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T(mén)1:Nb=75:25 ;另一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鋁合金靶，鈦鋁合金靶的原子比為T(mén)1:Al=50:50。
[0014]2、工件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼(W18Cr4V)作為工件材料，在放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對(duì)工件進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用。
[0015]3、預(yù)轟擊工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而在沉積之前進(jìn)行的離子轟擊工藝，當(dāng)鍍膜室背底真空度達(dá)到8.(T 10_3帕、溫度達(dá)到200° C時(shí)充入氬氣，使鍍膜室真空度達(dá)到2.5' IO-1帕，開(kāi)啟兩弧源，保持弧電流在55安培，進(jìn)行離子轟擊10分鐘，轟擊偏壓從350伏逐漸增加到400伏。
[0016]4、沉積工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而采用的沉積工藝，鍍膜過(guò)程分為三個(gè)階段，第一步，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強(qiáng)保持在2.0-ΙΟ—1帕，鈦鋁合金靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55安培，工件偏壓為200伏，沉積時(shí)間5分鐘；第二步，向鍍膜室內(nèi)通入氮?dú)?，使其分壓?qiáng)達(dá)到Ι.Ο'ΙΟ-1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強(qiáng)保持在2.5' IO-1帕，鈦鋁合金靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55安培，工件偏壓為200伏，沉積時(shí)間20分鐘；第三步，關(guān)閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續(xù)增加氮?dú)饬髁?，使其壓?qiáng)達(dá)到2.5' IO-1帕，鈦鋁合金靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55安培，工件偏壓為200伏，沉積時(shí)間30分鐘。
[0017] 5、真空加熱處理:包括工件加熱和膜層烘烤，工件加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在鍍膜室背底真空達(dá)到3.0’ 10-2帕?xí)r開(kāi)始工件加熱，升溫速度保持在3~5° C /分鐘，一小時(shí)后達(dá)到200° C ;膜層烘烤是指沉積過(guò)程結(jié)束后對(duì)所沉積的TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行后加熱烘烤，采用小電流進(jìn)行微加熱12分鐘，電流逐漸從70安培降低到50安培。
[0018]6、工件旋轉(zhuǎn):在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個(gè)過(guò)程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為5轉(zhuǎn)/分鐘。
[0019]對(duì)使用上述方法制備的TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行測(cè)試，該TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的氮含量呈梯度分布，附著力達(dá)到200N，硬度達(dá)到HV3400，抗650° C熱震循環(huán)次數(shù)達(dá)到14次。
[0020]實(shí)施例2
在商用高速鋼(W6Mo5Cr4V2)上制備TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜，其方法是:
1、沉積技術(shù)及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為T(mén)iAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備技術(shù)，選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積，其中一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T(mén)1:Nb=75:25 ;另一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鋁合金靶，鈦鋁合金靶的原子比為T(mén)1:Al=50:50。
[0021]2、工件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼(W6Mo5Cr4V2)作為工件材料，在放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對(duì)工件進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用。
[0022]3、預(yù)轟擊工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而在沉積之前進(jìn)行的離子轟擊工藝，當(dāng)鍍膜室背底真空度達(dá)到8.0’ 10-3帕、溫度達(dá)到200° C時(shí)充入氬氣，使鍍膜室真空度達(dá)到2.5' 1O-1帕，開(kāi)啟兩弧源，保持弧電流在56安培，進(jìn)行離子轟擊10分鐘，轟擊偏壓從350伏逐漸增加到400伏。
[0023]4、沉積工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而采用的沉積工藝，鍍膜過(guò)程分為三個(gè)階段，第一步，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強(qiáng)保持在2.0’10—1帕，鈦鋁合金靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于56安培，工件偏壓為150伏，沉積時(shí)間5分鐘；第二步，向鍍膜室內(nèi)通入氮?dú)?，使其分壓?qiáng)達(dá)到1.0'10-1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強(qiáng)保持在2.5' 1O-1帕，鈦鋁合金靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于56安培，工件偏壓為150伏，沉積時(shí)間20分鐘；第三步，關(guān)閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續(xù)增加氮?dú)饬髁?，使其壓?qiáng)達(dá)到2.5' 1O-1帕，鈦鋁合金靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于56安培，工件偏壓為150伏，沉積時(shí)間30分鐘。
[0024]5、真空加熱處理:包括工件加熱和膜層烘烤，工件加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在鍍膜室背底真空達(dá)到3.0’ 10_2帕?xí)r開(kāi)始工件加熱，升溫速度保持在3~5° C /分鐘，一小時(shí)后達(dá)到200° C ;膜層烘烤是指沉積過(guò)程結(jié)束后對(duì)所沉積的TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行后加熱烘烤，采用小電流進(jìn)行微加熱10分鐘，電流逐漸從70安培降低到50安培。
[0025]6、工件旋轉(zhuǎn):在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個(gè)過(guò)程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為5轉(zhuǎn)/分鐘。
[0026]對(duì)使用上述方法制備的TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行測(cè)試，該TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的氮含量呈梯度分布，附著力達(dá)到200N，硬度達(dá)到HV3300，抗650° C熱震循環(huán)次數(shù)達(dá)到15次。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化鈦鋁鈮氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法，其特征是:其制備方法依次包括:(I)、沉積技 術(shù)及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為T(mén)iAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備技術(shù)，選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積，其中一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T(mén)1:Nb=75:25 ;另一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鋁合金靶，鈦鋁合金靶的原子比為T(mén)1:Al=50:50 ;(2)、工件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼作為工件材料，在放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對(duì)工件進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用；(3)、預(yù)轟擊工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而在沉積之前進(jìn)行的離子轟擊工藝，當(dāng)鍍膜室背底真空度達(dá)到8.(T 10_3帕、溫度達(dá)到200° C時(shí)充入氬氣，使鍍膜室真空度達(dá)到2.5' IO-1帕，開(kāi)啟兩弧源，保持弧電流在55~56安培，進(jìn)行離子轟擊10-?2分鐘,轟擊偏壓從350伏逐漸增加到400伏；(4)、沉積工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而采用的沉積工藝，鍍膜過(guò)程分為三個(gè)階段，第一步，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強(qiáng)保持在2.(Τ IO-1帕，鈦鋁合金靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為150-200伏，沉積時(shí)間5分鐘；第二步，向鍍膜室內(nèi)通入氮?dú)?，使其分壓?qiáng)達(dá)到1.(Τ KT1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強(qiáng)保持在2.5'KT1帕，鈦鋁合金靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為150-200伏，沉積時(shí)間20分鐘；第三步，關(guān)閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續(xù)增加氮?dú)饬髁浚蛊鋲簭?qiáng)達(dá)到2.5' IO-1帕，鈦鋁合金靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為 150^200伏，沉積時(shí)間30分鐘；(5)、真空加熱處理:包括工件加熱和膜層烘烤，工件加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在鍍膜室背底真空達(dá)到3.(Τ IO-2帕?xí)r開(kāi)始工件加熱，升溫速度保持在:T5° C /分鐘，一小時(shí)后可以達(dá)到200° C ;膜層烘烤是指沉積過(guò)程結(jié)束后對(duì)所沉積的TiAlNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行后加熱烘烤，采用小電流進(jìn)行微加熱10-15分鐘，電流逐漸從70安培降低到50安培；(6)、工件旋轉(zhuǎn):在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個(gè)過(guò)程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4飛轉(zhuǎn)/分鐘。
【文檔編號(hào)】C23C14/06GK103572220SQ201310515573
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】張鈞, 尹利燕, 豐宇, 張健, 趙時(shí)璐, 李朝陽(yáng), 丁龍先 申請(qǐng)人:沈陽(yáng)大學(xué)