一種硬質(zhì)薄膜及制備方法
【專利摘要】本文發(fā)明公開了一種硬質(zhì)薄膜及其制備方法，該薄膜是以純W靶、純Cu靶和純Cr靶為靶材，利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，薄膜分子式為W2N-Cu，其中W含量為85at.％-100at.％，Cu含量為0at.％-15at.％，薄膜厚度在1-3μm。沉積時，真空度優(yōu)于3.0×10-3Pa，以氬氣起弧，氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體，氬氮流量比10∶(6-15)，濺射氣壓0.3Pa。該方法生產(chǎn)效率高，所得薄膜兼具高硬度和優(yōu)異的摩擦性能，可作為高速、寬溫域下干式切削的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)薄膜。
【專利說明】一種硬質(zhì)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W2N-Cu硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜及制備 方法，屬于陶瓷涂層【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，對刀具涂層提出了諸如"高速高溫"、"高精度"、"高可靠 性""長壽命"等更高的服役要求，除了要求涂層具有普通切削刀具涂層應(yīng)有的高硬度、優(yōu)異 的高溫抗氧化性能外，更需要涂層在寬溫域下均具有優(yōu)良的摩擦磨損性能。然而，現(xiàn)有的刀 具涂層雖然都具有較高硬度，但它們的摩擦磨損性能都不理想，難以滿足如高速、寬溫域切 削等苛刻的服役條件。氮化鎢因具有高熔點(diǎn)、高硬度、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、低室溫及高溫摩擦系 數(shù)和優(yōu)良的抗磨損性能而受到研究者關(guān)注。近年來不少學(xué)者研究了 WTiN和WCN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， 但其中溫摩擦磨損性能相對較差。因此，與當(dāng)代加工制造業(yè)所要求的理想高硬度寬溫域耐 磨損涂層相比，此類硬質(zhì)涂層的摩擦磨損性能仍有不足。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有WN系硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜及多層膜抗氧化性能及摩擦 磨損性能不理想的缺點(diǎn)，提供一種W 2N_Cu硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，具有較高生產(chǎn)效率，兼具高硬 度和優(yōu)異的中低高溫摩擦磨損性能，可作為高速、寬溫域下干式切削的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)薄膜。
[0004] 本發(fā)明的另一個目的是提供一種W2N-Cu硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法。本發(fā)明 是通過以下技術(shù)方案實(shí)驗(yàn)的：
[0005] -種W2N_Cu硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，是以純W靶、純Cu靶和純Cr靶為靶材，采用雙 靶共焦射頻反應(yīng)濺射法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上制備得到，（根據(jù)薄膜主要成分命名） 薄膜分子式為W 2N-Cu，薄膜厚度在1-3 μ m ;其中W含量為85at. %-100at. %、Cu含量為 Oat. % _15at. %。
[0006] 一種W2N-Cu硬質(zhì)薄膜的制備方法，是以純W革巴、純Cu靶和純Cr靶為靶材，利 用雙靶共焦射頻反應(yīng)法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上沉積W 2N-Cu硬質(zhì)薄膜，沉積時，真空度 優(yōu)于3. 0Xl(T3Pa，以氬氣起弧，氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體進(jìn)行沉積，濺射氣壓0. 3Pa、氬氮流量比 10: (6-15)；
[0007] W 含量為 85at. % -100at. %，Cu 含量為 Oat. % _15at. % ;
[0008] 較佳地，W 含量為 87. 78at. % -100at. %，Cu 含量為 Oat. % -12. 22at. % ;Cu 含 量較佳為 〇at. % -11.04at. %，更佳 Oat. % -4. 85at. %，最佳為 1.9at. %，當(dāng) W 含量為 98. lat. %，Cu含量為1. 9at. %，薄膜的硬度高達(dá)33. 5GPa，干切削實(shí)驗(yàn)下，摩擦系數(shù)和磨損 率為 0· 35 和 1. 64 X 10 8mm3 · N 工臟、
[0009] 前述的W2N-Cu硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于，在基體上預(yù)先沉積CrN作為過 渡層，Cr靶濺射功率為80-150W。
[0010] 本發(fā)明的W2N-Cu硬質(zhì)薄膜是采用高純W靶和Cu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l-3um，Cu含量在Oat. % -15at. %，當(dāng)Cu含 量為1. 9at. %時，薄膜的硬度高達(dá)33. 5GPa，干切削實(shí)驗(yàn)下，摩擦系數(shù)和磨損率為0. 35和 I. 64X l(T8mm3 · f imm 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(diǎn)。Cu含量為 II. 04at. %時，硬度為22. lGPa，在25?600°C間的摩擦系數(shù)介于0. 3?0. 4,磨損率低于 8. 9 X l(T8mm3 · fmm 1，這種硬質(zhì)涂層綜合具備了寬溫域范圍內(nèi)耐磨損的特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例所得W2N-Cu復(fù)合膜隨Cu含量的增加所得的XRD圖譜，其中 插圖是Cu含量為81. 98at. %的XRD圖譜，可見W2N-Cu薄膜具有與W2N薄膜相似的面心立 方結(jié)構(gòu)，薄膜主要呈（200)擇優(yōu)取向生長。Cu含量低于12. 22at. %時，圖譜中未檢測到Cu 相衍射峰，當(dāng)Cu含量為81. 98at. %時，圖譜中檢測到Cu相衍射峰。（根據(jù)復(fù)合膜的主要成 分W、Cu、N，發(fā)明人將薄膜命名為W2N-Cu)。
[0012] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例所得W2N_Cu薄膜硬度（GPa)與Cu含量（at. % )的變化關(guān) 系；隨Cu含量的增加，薄膜的顯微硬度先升高后降低，當(dāng)Cu含量為1. 9at. %時，硬度最高 為 33. 5GPa。
[0013] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例所得W2N_Cu復(fù)合膜干切削實(shí)驗(yàn)下平均摩擦系數(shù)及磨損率與 Cu含量的變化關(guān)系曲線，隨Cu含量的增加，薄膜的平均摩擦系數(shù)逐漸減小，而磨損率先減 小后增大，Cu含量為11.04at. %時，磨損率達(dá)到最小，為0. 9X10_8mm3 ?fmm1，此時摩擦系 數(shù)為〇. 3。
[0014] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例所得W2N-CU復(fù)合膜干切削實(shí)驗(yàn)下平均摩擦系數(shù)和磨損率隨 摩擦溫度（°C)變化關(guān)系曲線?？芍S溫度升高，W 2N-Cu復(fù)合膜的摩擦系數(shù)先增大后逐漸 減小，而磨損率逐漸增大。

【具體實(shí)施方式】
[0015] 以下將結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例說明本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0016] 本發(fā)明的W2N-Cu硬質(zhì)薄膜是在JGP-450高真空多靶磁控濺射設(shè)備上完成的，采用 高純W靶和Cu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。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W靶（99.99% )、純Cu靶（99.99% )和純Cr靶（99.9% )分別安裝 在獨(dú)立的射頻陰極上，靶材直徑為75mm。將高速鋼等硬質(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，通過在高速鋼等硬質(zhì)合金或 陶瓷的基體上采用純W靶和純Cu靶進(jìn)行雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射方法沉積生成W 2N-Cu硬質(zhì) 薄膜。沉積W2N-Cu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(jìn)行濺射 5-10分鐘，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100-200nm的純 CrN作為過渡層，以增強(qiáng)膜基結(jié)合力。濺射時間為2-3h，薄膜厚度為1-3 μ m。
[0017] 其中，選用襯底為單晶Si片（100)對薄膜的成分、相結(jié)構(gòu)、抗氧化和硬度進(jìn)行研 究；選用襯底為不銹鋼的復(fù)合膜進(jìn)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l〇_15min，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3. OX l(T3Pa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10:10,制備一系 列不同 Cu 含量（Oat. % -12. 22at. % )的 W2N_Cu 薄膜。
[0018] 表1所示的實(shí)施例1至5考察了不同Cu含量下的W2N-Cu薄膜的硬度，以及干切 削實(shí)驗(yàn)下的平均摩擦系數(shù)和磨損率 ：
[0019] 表 1
[0020]

【權(quán)利要求】
1. 一種硬質(zhì)薄膜，其特征在于是以純W靶、純Cu靶和純Cr靶為靶材，采用雙靶共 焦射頻反應(yīng)濺射法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上制備得到，分子式為W 2N-Cu，其中W含量為 85at. % -lOOat. %，Cu 含量為 Oat. % -15at. %，薄膜厚度在 1-3 μ m。
2. 權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于是以純W靶、純Cu靶和純Cr靶 為靶材，利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，沉積時，真空度優(yōu)于 3. OX 10_3Pa，以氬氣起弧，氮?dú)鉃榉磻?yīng)氣體，氬氮流量比10: (6-15)，濺射氣壓0. 3Pa，W含量 為 85at. % -100at. %，Cu 含量為 Oat. % _15at. %。
3. 權(quán)利要求2所述的硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于在基體上預(yù)先沉積CrN作為過 渡層，Cr靶濺射功率為80-150W。
4. 權(quán)利要求2所述的硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Cu含量為 Oat. % -12. 22at. %。
5. 權(quán)利要求2所述的硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Cu含量為 1. 9at. % -11. 04at. %。
6. 權(quán)利要求2所述的硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Cu含量為Oat. %-4. 85at. %。
7. 權(quán)利要求2所述的硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Cu含量為1. 9at. %。
8. 權(quán)利要求2所述的硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Cu含量為11. 04at. %。
【文檔編號】C23C14/40GK104099576SQ201410313488
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】喻利花, 許俊華, 趙洪艦 申請人:江蘇科技大學(xué)