一種氮化鈦鋯鈮氮梯度硬質(zhì)反應膜的制備方法
【專利摘要】一種氮化鈦鋯鈮氮梯度硬質(zhì)反應膜的制備方法，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，保證了低摩擦系數(shù)、高膜層硬度和高附著力的同時實現(xiàn)，減小膜層的內(nèi)應力，并具有良好的穩(wěn)定性和可重復性。
【專利說明】一種氮化鈦鋯鈮氮梯度硬質(zhì)反應膜的制備方法
【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)反應膜的方法，比如氮化鈦鋯鈮氮梯度硬質(zhì)反應膜(以下使用“TiZrNbN”來代替“氮化鈦鋯鈮”)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多弧離子鍍是一種設(shè)有多個可同時蒸發(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、均勻性好等顯著特點，該技術(shù)適用于硬質(zhì)膜及硬質(zhì)反應梯度膜的制備。最初的TiN薄膜，具有較高硬度而被廣泛應用。為了進一步改善TiN的綜合性能，發(fā)展了二元合金氮化物薄膜，比如，氮化鈦鋯、氮化鈦鈮、氮化鈦鋁等鈦基硬質(zhì)反應膜由于硬度高、摩擦系數(shù)小、耐熱性強等各自特性而比氮化鈦膜更具有開發(fā)應用前景，同時，硬質(zhì)膜層正向多元化、多層化、復合化的趨勢快速發(fā)展。
[0003]對于單層的以鈦為基的多組元硬質(zhì)反應膜而言，主要存在以下缺點: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滿足；2、多組元合金靶市場上不易購買，常常需要專門熔煉、加工，不僅成本較高，而且周期較長；3、多弧離子鍍硬質(zhì)反應膜膜層表面容易出現(xiàn)“大顆?！?也被稱為“液滴”，尺寸在5~10微米)，較多的“大顆粒”影響膜層的摩擦性能；4、在膜層中產(chǎn)生較大的內(nèi)應力，影響硬質(zhì)膜的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鋯鈮(TiZrNbN)氮梯度硬質(zhì)反應膜的制備方法，該方法降低了鍍膜成本，保證了低摩擦系數(shù)、高膜層硬度和高附著力的同時實現(xiàn)，減小膜層的內(nèi)應力，并具有良好的穩(wěn)定性和可重復性。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種氮化鈦鋯鈮(TiZrNbN)氮梯度硬質(zhì)反應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TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜的制備技術(shù)，選用兩個不同方位且成90度配置的弧源同時起弧沉積，其中一個弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另一個弧源為純度99.9%的商用鋯單質(zhì)靶。
[0006]2、工件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼作為工件材料，在放入鍍膜室進行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對工件進行常規(guī)去油、去污處理并進行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙醇進行超聲波清洗，電吹風吹干以備用。
[0007]3、預轟擊工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜而在沉積之前進行的離子轟擊工藝，當鍍膜室背底真空達到8.(T 10_3帕、溫度達到200° C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到2.5' IO-1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在55~56安培，進行離子轟擊10-12分鐘，轟擊偏壓從300伏逐漸增加到350伏。[0008]4、沉積工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜而采用的沉積工藝，鍍膜過程分為四個階段，第一步，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強保持在2.5'10—1帕，鋯單質(zhì)靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為200伏，沉積時間5分鐘；第二步，向鍍膜室內(nèi)通入氮氣，使其分壓強達到1.(T ?ο-1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.5' IO-1帕，鋯單質(zhì)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，沉積時間10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)增加氮氣流量，使其壓強達到2.5' IO-1帕，鋯單質(zhì)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，沉積時間20分鐘；第四步，使氮氣壓強達到3.(Τ KT1帕，鋯單質(zhì)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，沉積時間20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到3.(Τ 10_2帕時開始工件加熱，升溫速度保持在3~5° C /分鐘，一小時后可以達到200° C ;膜層烘烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜進行后加熱烘烤，采用小電流進行微加熱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、膜層烘烤的整個過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鋯單質(zhì)靶組合靶制備多弧離子鍍TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜的方法，可以獲得上述的TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜，該TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜的氮含量呈梯度分布，附著力強(3 200Ν)，硬度高(3HV3300)，膜層表面“液滴”數(shù)量少，摩擦系數(shù)低(在球盤式磨損、對磨材料為碳化硅陶瓷球的測試條件下，摩擦系數(shù)在
0.1~0.3之間)。
[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TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜的制備技術(shù)，確定了商用鈦鈮合金靶和鋯單質(zhì)靶作為電弧源，避免了專門冶煉、制備鈦鋯鈮合金靶的局限性，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，保證了所制備的TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜在膜層生長方向上具有明顯的氮含量梯度分布，保證了膜層表面“液滴”的數(shù)量減少、尺寸減小，進而保證了高膜層硬度、高附著力和低摩擦系數(shù)的同時實現(xiàn)并具有良好的穩(wěn)定性和可重復性，更加有利于提高TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜的耐磨壽命，更適合于在刀具行業(yè)的應用。
【具體實施方式】
[0013]實施例1
在商用高速鋼(W18Cr4V)上制備TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜，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TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜的制備技術(shù)，選用兩個不同方位且成90度配置的弧源同時起弧沉積，其中一個弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另一個弧源為純度99.9%的商用鋯單質(zhì)靶。
[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，在放入鍍膜室進行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對工件進行常規(guī)去油、去污處理并進行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙醇進行超聲波清洗，電吹風吹干以備用。
[0015]3、預轟擊工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜而在沉積之前進行的離子轟擊工藝，當鍍膜室背底真空達到8.(T 10_3帕、溫度達到200° C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到2.5' KT1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在55安培，進行離子轟擊12分鐘，轟擊偏壓從300伏逐漸增加到350伏。
[0016]4、沉積工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜而采用的沉積工藝，鍍膜過程分為四個階段，第一步，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強保持在2.5'10—1帕，鋯單質(zhì)靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于56安培，工件偏壓為200伏，沉積時間5分鐘；第二步，向鍍膜室內(nèi)通入氮氣，使其分壓強達到1.(T ?ο-1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.5' KT1帕，鋯單質(zhì)靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于56安培，工件偏壓為200伏，沉積時間10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)增加氮氣流量，使其壓強達到2.5' IO-1帕，鋯單質(zhì)靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于56安培，工件偏壓為200伏，沉積時間20分鐘；第四步，使氮氣壓強達到3.(T IO-1帕，鋯單質(zhì)靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于56安培，工件偏壓為200伏，沉積時間20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到3.(T 10_2帕時開始工件加熱，升溫速度保持在3~5° C /分鐘，一小時后達到200° C ;膜層烘烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜進行后加熱烘烤，采用小電流進行微加熱15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、膜層烘烤的整個過程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4.5轉(zhuǎn)/分鐘。
[0019]對使用上述方法制備的TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜進行測試，該TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜的氮含量呈梯度分布，`附著力達到200N，硬度達到HV3350，摩擦系數(shù)在0.15~0.3之間。
[0020]實施例2
在商用高速鋼(W18Cr4V)上制備TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜，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TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜的制備技術(shù)，選用兩個不同方位且成90度配置的弧源同時起弧沉積，其中一個弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另一個弧源為純度99.9%的商用鋯單質(zhì)靶。
[0021]2、工件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼(W18Cr4V)作為工件材料，在放入鍍膜室進行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對工件進行常規(guī)去油、去污處理并進行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙醇進行超聲波清洗，電吹風吹干以備用。
[0022]3、預轟擊工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜而在沉積之前進行的離子轟擊工藝，當鍍膜室背底真空達到8.(T 10_3帕、溫度達到200° C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到2.5' KT1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在56安培，進行離子轟擊10分鐘，轟擊偏壓從300伏逐漸增加到350伏。
[0023]4、沉積工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜而采用的沉積工藝，鍍膜過程分為四個階段，第一步，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強保持在2.5'10—1帕，鋯單質(zhì)靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55安培，工件偏壓為200伏，沉積時間5分鐘；第二步，向鍍膜室內(nèi)通入氮氣，使其分壓強達到1.(T ?ο-1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.5' KT1帕，鋯單質(zhì)靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55安培，工件偏壓為150伏，沉積時間10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)增加氮氣流量，使其壓強達到2.5' IO-1帕，鋯單質(zhì)靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55安培，工件偏壓為150伏，沉積時間20分鐘；第四步，使氮氣壓強達到3.(T IO-1帕，鋯單質(zhì)靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55安培，工件偏壓為150伏，沉積時間20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到3.(T 10_2帕時開始工件加熱，升溫速度保持在3~5° C /分鐘，一小時后達到200° C ;膜層烘烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜進行后加熱烘烤，采用小電流進行微加熱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、膜層烘烤的整個過程中一直保持工件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為5.5轉(zhuǎn)/分鐘。
[0026]對使用上述方法制備 的TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜進行測試，該TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜的氮含量呈梯度分布，附著力達到200N以上，硬度達到HV3400，摩擦系數(shù)在0.1~0.25之間。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化鈦鋯鈮氮梯度硬質(zhì)反應膜的制備方法，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TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜的制備技術(shù)，選用兩個不同方位且成90度配置的弧源同時起弧沉積，其中一個弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另一個弧源為純度99.9%的商用鋯單質(zhì)靶；(2)、工件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼作為工件材料，在放入鍍膜室進行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對工件進行常規(guī)去油、去污處理并進行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙醇進行超聲波清洗，電吹風吹干以備用；(3)、預轟擊工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜而在沉積之前進行的離子轟擊工藝，當鍍膜室背底真空達到8.(T 10_3帕、溫度達到200。C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到2.5' 10-1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在55~56安培，進行離子轟擊10-12分鐘，轟擊偏壓從300伏逐漸增加到350伏；(4)、沉積工藝的確定:指為獲得多弧離子鍍TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜而采用的沉積工藝，鍍膜過程分為四個階段，第一步，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強保持在2.5' IO-1帕，鋯單質(zhì)靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為200伏，沉積時間5分鐘；第二步，向鍍膜室內(nèi)通入氮氣，使其分壓強達到1.(Τ ?ο-1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體 總壓強保持在2.5' IO-1帕，鋯單質(zhì)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，沉積時間10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)增加氮氣流量，使其壓強達到2.5' IO-1帕，鋯單質(zhì)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，沉積時間20分鐘；第四步，使氮氣壓強達到3.(Τ KT1帕，鋯單質(zhì)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，沉積時間20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到3.0-ΙΟ—2帕時開始工件加熱，升溫速度保持在:T5° C /分鐘，一小時后可以達到200° C ;膜層烘烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的TiZrNbN氮梯度硬質(zhì)反應膜進行后加熱烘烤，采用小電流進行微加熱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、膜層烘烤的整個過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】C23C14/06GK103556119SQ201310514050
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】張鈞, 豐宇, 尹利燕, 張健, 焦悅, 蔡佳婧 申請人:沈陽大學