TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜及制備方法
【專利摘要】本文發(fā)明公開了一種TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜及制備方法，其特征在于是該薄膜是采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上的，薄膜分子式表示為Ti(W，N)，厚度在2-3μm。沉積時，真空度優(yōu)于3.0×10-5Pa時，以氬氣起弧，氮氣為反應(yīng)氣體進行沉積，濺射氣壓0.3Pa，氬氮流量比10:(1-3)。Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率為0-120W。所得硬質(zhì)涂層綜合具備了高硬度，高耐磨性的優(yōu)良特點。
【專利說明】TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種涂層及其制備方法，特別是一種TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜及制備方法，屬于陶瓷涂層【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，特別是高速、干式切削等加工方式的出現(xiàn)，要求應(yīng)用于刀具的涂層具有更高的硬度，并兼具優(yōu)良的摩擦磨損性能。然而，現(xiàn)有的刀具涂層雖然具有較高硬度，但它們的摩擦磨損性能都不理想，無法滿足要求。氮化鈦(TiN)薄膜具有耐磨性高、硬度大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定高等優(yōu)異性能而受到研究者關(guān)注。近年來不少學(xué)者研究了 TiAIN、TiVN.TiCN等體系的力學(xué)性能和摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)添加第三種元素后,力學(xué)性能及摩擦磨損性能均得到改善。TiWN薄膜因具有高阻抗、耐腐蝕性強等特點，被廣泛用作電阻發(fā)射器涂層材料。目前，市場上還沒有發(fā)現(xiàn)被用作刀具涂層材料。因此，與當(dāng)代加工制造業(yè)所要求的理想高硬度耐磨損涂層相比，此種硬質(zhì)涂層具有很好的研究價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜及制備方法，克服現(xiàn)有TiN系硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜及多層膜摩擦磨損性能不理想等缺點，具有較高生產(chǎn)效率，兼具高硬度和優(yōu)異的摩擦磨損性能，可作為高速、干式切削的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)薄膜。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0005]一種TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，是采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上的，薄膜分子式表示為Ti (W，N)，厚度在2-3 μ m, Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率0-120W;當(dāng)Ti靶功率250W，W靶功率90W (W含量為35.29at.%)時，薄膜具有高硬度(30.67GPa)、最佳的摩擦磨損性能(摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.531和
3.662 X 10 8mm3.N 1Inrn 1)。
[0006]一種TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，利用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上沉積得到，沉積時，真空度優(yōu)于3.0X 10_5Pa，以氬氣起弧，氮氣為反應(yīng)氣體進行沉積，濺射氣壓0.3Pa，氬氮流量比10: (1-3)，Ti靶濺射功率200-280W，W靶濺射功率0-120W較佳。當(dāng)Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率0-120W，較佳為30-120W，更佳為60-120W，最佳為90W。當(dāng)W靶功率為90W(W含量為35.29at.%)時，薄膜硬度高達30.67GPa,干切削實驗下，摩擦系數(shù)和磨損率為0.531和3.662 X IO^mm3.N^W10
[0007]在基體上預(yù)先沉積純Ti作為過渡層。
[0008]本發(fā)明的TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜是采用高純Ti靶和W靶共焦射頻反應(yīng)濺射，沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上制備得到的，薄膜厚度在2-3 μ m，濺射反應(yīng)過程中，W靶功率在0-120W之間，當(dāng)W靶功率為90W (W含量為35.29at.%)時，薄膜的硬度高達30.67GPa，干切削實驗下，摩擦系數(shù)和磨損率為0.531和3.662 X IO^mm3.fmm S這種硬質(zhì)涂層綜合具備了高硬度，高耐磨性的優(yōu)良特點。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0009]圖1為本發(fā)明實施例所得TiWN薄膜中Ti和W原子百分含量關(guān)系示意圖。由于實驗儀器對N原子含量檢測不準(zhǔn)確，因此設(shè)定Ti和W原子總含量為100%。隨著W靶功率升高，薄膜中W原子含量逐漸增大，而Ti原子含量相應(yīng)地減少。當(dāng)W靶功率從OW逐漸升至30W, 60W, 90W和120W時，薄膜中W原子百分含量分別為Oat.%，10.19at.%，25.42at.%，35.29at.% 和 46.91at.%。
[0010]圖2為本發(fā)明實施例所得TiWN薄膜的XRD圖譜。由圖可知，TiN薄膜由fee結(jié)構(gòu)的TiN相和Ti相組成(因此發(fā)明人根據(jù)薄膜的主要成分，將其分子式定義為Ti (W，N)，簡稱為TiWN薄膜)。當(dāng)W含量為10.19at.%時，TiffN復(fù)合膜由fee結(jié)構(gòu)的TiWN相和Ti相組成含量為25.42at.%時，復(fù)合膜中除TiWN相和Ti相，還出現(xiàn)了 Ti2N新相；而當(dāng)W含量為35.29at.%時，Ti相消失，W2N和β -W新相生成;當(dāng)W含量增加到46.91at.%時，薄膜由 TiffN, Ti2N, W2N 和 β -W 相組成。
[0011]圖3為本發(fā)明實施例所得TiWN薄膜硬度(GPa)、殘余應(yīng)力(GPa)與W含量(at.%)的關(guān)系；隨W含量的增加，薄膜硬度顯著升高，當(dāng)W含量為35.29at.% (W靶功率90W)時，薄膜硬度高達30.67GPa，W含量高于35.29at.%時，隨著W含量提高，薄膜硬度逐漸下降。
[0012]圖4為本發(fā)明實施例所得TiWN薄膜室溫干切削實驗下平均摩擦系數(shù)及磨損率與W含量的變化關(guān)系；由圖可見，TiWN薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率隨W含量的增加而減小，當(dāng)W含量為35.29at.% (W革巴功率90W)時，摩擦系數(shù)和磨損率為0.531和3.662 XlO^mm3.『W1。
[0013]圖5為本發(fā)明實施例所得TiWN薄膜干切削實驗下平均摩擦系數(shù)與摩擦溫度變化關(guān)系?？梢?，薄膜的摩擦系數(shù)(W含量為35.29at.%)隨著溫度的升高先增大后減小，而磨損率一直增大。
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明的制備方法，具體如下:
[0015]TiffN復(fù)合膜的制備是在JGP-450高真空多靶磁控濺射設(shè)備上完成的。該磁控濺射儀有三個濺射靶，分別安裝在三個水冷支架上，三個不銹鋼擋板分別安裝在三個靶前面，通過電腦自動控制。純Ti靶(99.99%)、純W靶(99.9%)分別安裝在獨立的射頻陰極上，靶材直徑為75mm。將高速鋼、單晶硅等硬質(zhì)合金或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，向真空室內(nèi)充入純度均為99.999%的Ar、N2混合氣體，通過在高速鋼、單晶硅等硬質(zhì)合金或陶瓷的基體上采用純Ti靶和純W靶進行雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射方法沉積生成TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜。沉積TiWN薄膜之前，通過擋板隔離基片與離子區(qū)，首先用Ar離子對靶材進行濺射lOmin，以去除靶材表面的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)帶入薄膜中。在基體上沉積IOOnm的純Ti作為過渡層，以增強膜基結(jié)合力。濺射時間為2h，薄膜厚度為2-3 μ m。
[0016]其中，選用襯底為單晶Si片(100)對薄膜的成分、相結(jié)構(gòu)和硬度進行研究；選用襯底為不銹鋼的復(fù)合膜進行摩擦磨損性能的研究。襯底分別在丙酮和無水乙醇超聲波中各清洗lOmin，以清除基體表面的油污與灰塵，快速烘干后裝入真空室可旋轉(zhuǎn)的基片架上。靶材到基片的距離約為11cm。真空室本底真空優(yōu)于6.0 X KT4Pa后，通入純度為99.999%的氬氣起弧。工作氣壓保持在0.3Pa，同時Ar、N2流量比保持10:2。固定Ti靶功率為250W，W靶濺射功率為0-120W，通過改變W靶濺射功率制備一系列不同W含量的TiWN薄膜。
[0017]實施例1
[0018]實驗參數(shù):Ti靶功率250W，W靶功率為OW (W含量為Oat.%)，硬度為20.12GPa，干切削實驗下，平均摩擦系數(shù)為0.793，磨損率為6.172 XlO-8Him3.fmm、
[0019]實施例2
[0020]實驗參數(shù):Ti靶功率250W，W靶功率為30W (W含量為10.19at.%)，硬度為22.71GPa，干切削實驗下，摩擦系數(shù)為0.772，磨損率為5.133 X IO^mm3.N—W、
[0021]實施例3
[0022]實驗參數(shù):Ti靶功率250W，W靶功率為60W (W含量為25.42at.%)，硬度為
25.llGPa，干切削實驗下，摩擦系數(shù)為0.584，磨損率為4.655X10_W.Pmm、
[0023]實施例4
[0024]實驗參數(shù):Ti靶功率250W，W靶功率為90W (W含量為35.29at.%)，硬度為30.67GPa，干切削實驗下，摩擦系數(shù)為0.531，磨損率為3.662X10_W.Pmm、
[0025]實施例5
[0026]實驗參數(shù):Ti靶功率250W，W靶功率為120W (W含量為46.91at.%)，硬度為
26.81GPa，干切削實驗下，摩擦系數(shù)為0.808，磨損率為4.937X10_W.Pmm、
[0027]實施例6
[0028]實驗參數(shù):摩擦磨損溫度為室溫時(25°C)，干式摩擦削實驗下，摩擦系數(shù)為
0.531,磨損率為 2.2X 10 8mm3.N 1Inrn、
[0029]實施例7
[0030]實驗參數(shù):摩擦磨損溫度為200°C，干式摩擦削實驗下，摩擦系數(shù)為0.834，磨損率為 1.13 X 10 7Him3.N 1Inrn、
[0031]實施例8
[0032]實驗參數(shù):摩擦磨損溫度為400°C，干式摩擦削實驗下，摩擦系數(shù)為0.536，磨損率為 4.44 X 10 7Him3.N 1Inrn、
[0033]實施例9
[0034]實驗參數(shù):摩擦磨損溫度為600°C，干式摩擦削實驗下，摩擦系數(shù)為0.466，磨損率為 6.67 X 10 7Him3.N 1Inrn、
[0035]實施例10
[0036]實驗參數(shù):摩擦磨損溫度為800°C，干式摩擦削實驗下，摩擦系數(shù)為0.397，磨損率為 1.19 X 10 6mm3.N 1Inrn、
[0037]以上僅列舉了 Ti靶功率固定為250W，W靶功率為0-120W的情況，其中W靶為O僅作為對比參照實例，在實際操作中，可操作功率是Ti靶功率200-280W，C靶濺射功率0-120W，沉積過程的濺射氣壓0.3Pa、氬氮流量比10: (1_3)。
【權(quán)利要求】
1.一種TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，其特征在于是采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上的，薄膜的分子式表示為Ti (W，N)，薄膜厚度在2-3 μ m，Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率0-120W;當(dāng)Ti靶功率為250W，W靶為90W時，薄膜硬度高達30.67GPa,摩擦系數(shù)和磨損率分別為0.531和3.662X 10 8mm3.N 1Inrn、
2.權(quán)利要求1所述的TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于，利用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上沉積得到，沉積時，真空度優(yōu)于3.0X 10_5Pa，以氬氣起弧，氮氣為反應(yīng)氣體進行沉積，濺射氣壓0.3Pa，氬氮流量比10: (1-3)，Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率0-120W。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于，在基體上預(yù)先沉積純Ti作為過渡層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于，Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率為30-120W。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于，Ti靶濺射功率250W，W靶濺 射功率為60-120W。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于，Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率為90W。
【文檔編號】C23C14/06GK103898457SQ201410118327
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】喻利花, 許俊華, 董鴻志 申請人:江蘇科技大學(xué)