CN104099576B

CN104099576B - 一种W2N-Cu硬质纳米结构薄膜及制备方法

Info

Publication number: CN104099576B
Application number: CN201410313488.3A
Authority: CN
Inventors: 喻利花; 许俊华; 赵洪舰
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2014-07-02
Filing date: 2014-07-02
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2034-07-02
Also published as: CN104099576A

Abstract

本文发明公开了一种硬质薄膜及其制备方法，该薄膜是以纯W靶、纯Cu靶和纯Cr靶为靶材，利用双靶共焦射频反应溅射法沉积在硬质合金或陶瓷基体上，薄膜分子式为W₂N-Cu，其中W含量为85at.％-100at.％，Cu含量为0at.％-15at.％，薄膜厚度在1-3μm。沉积时,真空度优于3.0×10^-3Pa,以氩气起弧，氮气为反应气体，氩氮流量比10:(6-15)，溅射气压0.3Pa。该方法生产效率高，所得薄膜兼具高硬度和优异的摩擦性能，可作为高速、宽温域下干式切削的纳米结构硬质薄膜。

Description

一种W2N-Cu硬质纳米结构薄膜及制备方法

技术领域

本发明涉及一种涂层及其制备方法，特别是一种W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜及制备方法，属于陶瓷涂层技术领域。

背景技术

现代加工技术的发展，对刀具涂层提出了诸如“高速高温”、“高精度”、“高可靠性”“长寿命”等更高的服役要求，除了要求涂层具有普通切削刀具涂层应有的高硬度、优异的高温抗氧化性能外，更需要涂层在宽温域下均具有优良的摩擦磨损性能。然而，现有的刀具涂层虽然都具有较高硬度，但它们的摩擦磨损性能都不理想，难以满足如高速、宽温域切削等苛刻的服役条件。氮化钨因具有高熔点、高硬度、化学性质稳定、低室温及高温摩擦系数和优良的抗磨损性能而受到研究者关注。近年来不少学者研究了WTiN和WCN等体系的力学性能和摩擦磨损性能，发现添加第三种元素后，力学性能及摩擦磨损性能均得到改善，但其中温摩擦磨损性能相对较差。因此，与当代加工制造业所要求的理想高硬度宽温域耐磨损涂层相比，此类硬质涂层的摩擦磨损性能仍有不足。

发明内容：

本发明的目的是克服现有WN系硬质纳米结构复合膜及多层膜抗氧化性能及摩擦磨损性能不理想的缺点，提供一种W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜，具有较高生产效率，兼具高硬度和优异的中低高温摩擦磨损性能，可作为高速、宽温域下干式切削的纳米结构硬质薄膜。

本发明的另一个目的是提供一种W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实验的：

一种W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜，是以纯W靶、纯Cu靶和纯Cr靶为靶材，采用双靶共焦射频反应溅射法在硬质合金或陶瓷基体上制备得到，(根据薄膜主要成分命名)薄膜分子式为W₂N-Cu，薄膜厚度在1-3μm；其中W含量为85at.％-100at.％、Cu含量为0at.％-15at.％。

一种W₂N-Cu硬质薄膜的制备方法，是以纯W靶、纯Cu靶和纯Cr靶为靶材，利用双靶共焦射频反应法在硬质合金或陶瓷基体上沉积W₂N-Cu硬质薄膜，沉积时，真空度优于3.0×10^-3Pa,以氩气起弧，氮气为反应气体进行沉积，溅射气压0.3Pa、氩氮流量比10:(6-15)；

W含量为85at.％-100at.％，Cu含量为0at.％-15at.％；

较佳地，W含量为87.78at.％-100at.％，Cu含量为0at.％-12.22at.％；Cu含量较佳为0at.％-11.04at.％，更佳0at.％-4.85at.％，最佳为1.9at.％，当W含量为98.1at.％，Cu含量为1.9at.％，薄膜的硬度高达33.5GPa，干切削实验下，摩擦系数和磨损率为0.35和1.64×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

前述的W₂N-Cu硬质薄膜的制备方法，其特征在于，在基体上预先沉积CrN作为过渡层，Cr靶溅射功率为80-150W。

本发明的W₂N-Cu硬质薄膜是采用高纯W靶和Cu靶共焦射频反应溅射，沉积在硬质合金或陶瓷基体上制备得到的，薄膜厚度在1-3um，Cu含量在0at.％-15at.％，当Cu含量为1.9at.％时，薄膜的硬度高达33.5GPa，干切削实验下，摩擦系数和磨损率为0.35和1.64×10^-8mm³·N^-1mm^-1，这种硬质涂层综合具备了高硬度，高耐磨性的优良特点。Cu含量为11.04at.％时，硬度为22.1GPa，在25～600℃间的摩擦系数介于0.3～0.4，磨损率低于8.9×10^-8mm³·N^-1mm^-1，这种硬质涂层综合具备了宽温域范围内耐磨损的特点。

附图说明

图1为本发明实施例所得W₂N-Cu复合膜随Cu含量的增加所得的XRD图谱，其中插图是Cu含量为81.98at.％的XRD图谱，可见W₂N-Cu薄膜具有与W₂N薄膜相似的面心立方结构，薄膜主要呈(200)择优取向生长。Cu含量低于12.22at.％时，图谱中未检测到Cu相衍射峰，当Cu含量为81.98at.％时，图谱中检测到Cu相衍射峰。(根据复合膜的主要成分W、Cu、N，发明人将薄膜命名为W₂N-Cu)。

图2为本发明实施例所得W₂N-Cu薄膜硬度(GPa)与Cu含量(at.％)的变化关系；随Cu含量的增加，薄膜的显微硬度先升高后降低，当Cu含量为1.9at.％时，硬度最高为33.5GPa。

图3为本发明实施例所得W₂N-Cu复合膜干切削实验下平均摩擦系数及磨损率与Cu含量的变化关系曲线，随Cu含量的增加，薄膜的平均摩擦系数逐渐减小，而磨损率先减小后增大，Cu含量为11.04at.％时，磨损率达到最小，为0.9×10^-8mm³·N^-1mm^-1，此时摩擦系数为0.3。

图4为本发明实施例所得W₂N-Cu复合膜干切削实验下平均摩擦系数和磨损率随摩擦温度(℃)变化关系曲线。可知，随温度升高，W₂N-Cu复合膜的摩擦系数先增大后逐渐减小，而磨损率逐渐增大。

具体实施方式

以下将结合优选实施例说明本发明的技术方案：

本发明的W₂N-Cu硬质薄膜是在JGP-450高真空多靶磁控溅射设备上完成的，采用高纯W靶和Cu靶共焦射频反应溅射，沉积在硬质合金或陶瓷基体上制备得到。该磁控溅射仪有三个溅射靶，分别安装在三个水冷支架上，三个不锈钢挡板分别安装在三个靶前面，通过电脑自动控制。纯W靶(99.99％)、纯Cu靶(99.99％)和纯Cr靶(99.9％)分别安装在独立的射频阴极上，靶材直径为75mm。将高速钢等硬质合金或陶瓷基体表面作镜面抛光处理，向真空室内充入纯度均为99.999％的Ar、N₂混合气体，通过在高速钢等硬质合金或陶瓷的基体上采用纯W靶和纯Cu靶进行双靶共焦射频反应溅射方法沉积生成W₂N-Cu硬质薄膜。沉积W₂N-Cu薄膜之前，通过挡板隔离基片与离子区，首先用Ar离子对靶材进行溅射5-10分钟，以去除靶材表面的杂质，避免杂质带入薄膜中。在基体上沉积100-200nm的纯CrN作为过渡层，以增强膜基结合力。溅射时间为2-3h，薄膜厚度为1-3μm。

其中，选用衬底为单晶Si片(100)对薄膜的成分、相结构、抗氧化和硬度进行研究；选用衬底为不锈钢的复合膜进行摩擦磨损性能的研究。衬底分别在丙酮和无水乙醇超声波中各清洗10-15min，以清除基体表面的油污与灰尘，快速烘干后装入真空室可旋转的基片架上。靶材到基片的距离约为11cm。真空室本底真空优于3.0×10^-3Pa后，通入纯度为99.999％的氩气起弧。工作气压保持在0.3Pa，同时Ar、N₂流量比保持10:10，制备一系列不同Cu含量(0at.％-12.22at.％)的W₂N-Cu薄膜。

表1所示的实施例1至5考察了不同Cu含量下的W₂N-Cu薄膜的硬度，以及干切削实验下的平均摩擦系数和磨损率：

表1

表2所示的实施例6-8考察了Cu含量为11.04at.％的薄膜在不同摩擦试验温度下的摩擦系数和磨损率：

表2

	实施例6	实施例7	实施例8
				W含量	88.96at.％	88.96at.％	88.96at.％
Cu含量	11.04at.％	11.04at.％	11.04at.％
				摩擦试验温度	200℃	400℃	600℃
摩擦系数	0.4	0.36	0.34
				磨损率	2.2×10^-7	5.5×10^-7	8.9×10^-7

以上仅列举了W含量为87.78at.％-100at.％，Cu含量为0at.％-12.22at.％，氩氮流量比10:10的情况，其中Cu含量为0at.％仅作为对比参照实例，Cu含量为11.04at.％作为高温摩擦实例，在实际操作中，可操作是W含量为85at.％-100at.％，Cu含量为0at.％-15at.％，沉积过程的溅射气压0.3Pa、氩氮流量比10:(6-15)。

Claims

1.一种W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜，其特征在于是以纯W靶、纯Cu靶和纯Cr靶为靶材，采用双靶共焦射频反应溅射法在硬质合金或陶瓷基体上制备得到，在沉积W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜前，在基体上预先沉积厚度为100-200nm的CrN作为过渡层，W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜中以W和Cu元素的原子百分含量计，W的原子百分含量为85at.％≤W<100at.％，Cu的原子百分含量为0at.％<Cu≤15at.％，W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜厚度在1-3μm。

2.权利要求1所述的W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于是以纯W靶、纯Cu靶和纯Cr靶为靶材，利用双靶共焦射频反应溅射法沉积在硬质合金或陶瓷基体上，在沉积W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜前，在基体上预先沉积厚度为100-200nm的CrN作为过渡层，沉积W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜时，真空度优于3.0×10^-3Pa,以氩气起弧，氮气为反应气体，氩氮流量比10:(6-15)，溅射气压0.3Pa，W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜中以W和Cu元素的原子百分含量计，W的原子百分含量为85at.％≤W<100at.％，Cu的原子百分含量为0at.％<Cu≤15at.％。

3.权利要求2所述的W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于Cr靶溅射功率为80-150W。

4.权利要求2所述的W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于Cu的原子百分含量为0at.％<Cu≤12.22at.％。

5.权利要求2所述的W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于Cu含量1.9at.％≤Cu≤11.04at.％。

6.权利要求2所述的W₂N-Cu硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于Cu含量为0at.％<Cu≤4.85at.％。