CN102345106A - 一种b-c-n三元薄膜的制备及热处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种B-C-N三元薄膜的射频(13.56MHz)磁控溅射制备及热处理方法，其是在金属基体表面形成了Ti、TiN、Ti-B-C-N多层过渡薄膜，以提高B-C-N薄膜与金属基体良好的结合性能；同时，选用了合适的石墨/硼复合靶以及相应的溅射工艺参数，获得了接近于BC2N化学计量比的高性能薄膜，薄膜中B-C-N的厚度约为150nm，薄膜表面的元素的原子百分含量为22.3B-51.6C-26.1N，表面的硬度约为14GPa。

Description

一种B-C-N三元薄膜的制备及热处理方法
技术领域
本发明涉及一种材料表面涂层的制备方法，尤其是一种B-C-N三元薄膜的制备及热处理方法。
背景技术
根据金刚石和立方BN(c-BN)的机构相似性，人们理论上预期能够合成B-C-N三元薄膜，并期望其能够兼具金刚石的超高硬度以及c-BN高温稳定性、抗氧化性等。而经过广泛的实验研究证实，合成B-C-N三元薄膜确实可行，并且B-C-N三元薄膜也确实与金刚石和立方BN一样具有超高的硬度，此外，与金刚石、氮化碳等硬质涂层相比，其还具有高温化学稳定性优异、薄膜的内应力低等无可比拟的使用优点。因此，B-C-N三元薄膜不但成为了硬质涂层领域的研究热点，其在相应领域的实际应用也日益广泛，具有不可估量的巨大性能潜力和广泛应用前景。
而用于制备B-C-N三元薄膜的方法也非常普遍，例如化学气相沉积法和物理气相沉积法等常规的薄膜合成制备方法都可以用来制备B-C-N三元薄膜。但是使用化学气相沉积方法时，往往其硼源气体等都具有毒性，给环境和生产安全都造成很大的压力；不但如此，研究表明化学气相沉积方法制备的结果，都趋向于得到六角型B-C-N三元薄膜而非立方B-C-N三元薄膜。相比较而言，以溅射为特征的物理气相沉积方法，因其通常使用固相靶源，则更为安全方便，尤其重要的是其趋向于制得立方B-C-N三元薄膜。
然而，对于B-C-N三元薄膜的组成控制、与基体的紧密附着、薄膜内应力的消除等问题上，仍然存在各种各样的不足，成为制约B-C-N三元薄膜广泛应用的障碍。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的即在于为射频磁控溅射B-C-N三元薄膜制备方法选择合适的工艺参数，从而获得一种与基体结合紧密的高性能硬质B-C-N三元薄膜的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
首先，将金属基体材料表面抛光，并分别用丙酮、酒精和去离子水等在超声波清洗器中各清洗约10min后，用氮气吹干备用。
随后，将基体材料置于真空室内的样品台上，并将Ti靶和石墨/硼复合靶分别置于不同的靶位，其中所述的石墨/硼复合靶是将环状的硼套在圆片状的石墨外，且石墨与硼的面积比在2.5∶1-2∶1之间，石墨的纯度为99.999％、硼的纯度为99.9％，石墨/硼复合靶与基体材料距离为7-8cm。
随后将真空室内真空度抽到≤5×10-4Pa，同时通入流量为8-10sccm的Ar，当真空室气压为2-4Pa时，预溅射2-3min，预溅射的功率为50-70W，以进一步清洗基体材料的成膜表面。
随后维持Ar的流量为8-10sccm，控制基体材料温度为40-50℃，当真空室气压为1-1.5Pa时，向基体材料施加100-150V的负偏压，同时移开Ti靶的挡板，以50-70W的功率进行溅射，溅射时间为5-10min，以形成一层纯Ti薄膜。
随后开始通入流量为0.3-0.6sccm的N2，并维持Ar的流量为8-10sccm、真空室气压为1-1.5Pa、基体材料的负偏压为100-150V、基体材料的温度为40-50℃，继续以50-70W的功率进行溅射，溅射时间为15-25min，以形成一层Ti-N二元薄膜。
随后维持Ar的流量为8-10sccm、真空室气压为1-1.5Pa、基体材料的负偏压为100-150V，升高基体材料的温度为250-300℃，N2的流量为0.8-1sccm，移开石墨/硼复合靶的挡板，Ti靶维持以50-70W的功率进行溅射，而石墨/硼复合靶以100-110W功率进行溅射，溅射时间为15-25min，以形成Ti-B-C-N四元薄膜。
随后维持Ar的流量为8-10sccm、真空室气压为1-1.5Pa、基体材料的负偏压为100-150V、基体材料的温度为250-300℃，关闭Ti靶挡板而维持石墨/硼复合靶溅射，N2的流量升高为3.5-4.5sccm，溅射功率升高至130-140W，溅射时间为80-100min，以形成B-C-N三元薄膜。
随后维持Ar的惰性气氛，在700-750℃的温度下对薄膜进行退火处理，处理时间为60-90min。
本发明的优点是：在金属基体表面形成了Ti、TiN、Ti-B-C-N多层过渡薄膜，以提高B-C-N薄膜与金属基体良好的结合性能；同时，选用了合适的石墨/硼复合靶以及相应的溅射工艺参数，获得了接近于BC2N化学计量比的高性能薄膜；此外在惰性气体保护下，在尽可能高的温度对薄膜进行退火处理，以进一步减小其内应力。
具体实施方式
下面，通过具体的实施例对本发明进行详细说明。
一种B-C-N三元薄膜的射频(13.56MHz)磁控溅射制备方法，其包括以下制备步骤：
首先，选用W6Mo5Cr4V2高速钢作为基体材料，将其表面抛光，并分别用丙酮、酒精和去离子水等在超声波清洗器中各清洗约10min后，用氮气吹干备用。
随后，将基体材料置于真空室内的样品台上，并将Ti靶和石墨/硼复合靶分别置于不同的靶位，其中所述的石墨/硼复合靶是将环状的硼套在圆片状的石墨外，且石墨与硼的面积比在2.2∶1，石墨的纯度为99.999％、硼的纯度为99.9％，石墨/硼复合靶与基体材料距离为8cm。
随后将真空室内真空度抽到≤5×10-4Pa，同时通入流量为9sccm的Ar，当真空室气压为3Pa时，预溅射2min，预溅射的功率为60W，以进一步清洗基体材料的成膜表面。
随后维持Ar的流量为9sccm，控制基体材料温度为40℃，当真空室气压为1.5Pa时，向基体材料施加130V的负偏压，同时移开Ti靶的挡板，以60W的功率进行溅射，溅射时间为7min，以形成一层纯Ti薄膜。
随后开始通入流量为0.4sccm的N2，并维持Ar的流量为9sccm、真空室气压为1.5Pa、基体材料的负偏压为130V、基体材料的温度为40℃，继续以60W的功率进行溅射，溅射时间为20min，以形成一层Ti-N二元薄膜。
随后维持Ar的流量为9sccm、真空室气压为1.5Pa、基体材料的负偏压为130V，升高基体材料的温度为270℃，N2的流量为0.9sccm，移开石墨/硼复合靶的挡板，Ti靶维持以60W的功率进行溅射，而石墨/硼复合靶以110W功率进行溅射，溅射时间为20min，以形成Ti-B-C-N四元薄膜。
随后维持Ar的流量为9sccm、真空室气压为1.5Pa、基体材料的负偏压为130V、基体材料的温度为270℃，关闭Ti靶挡板而维持石墨/硼复合靶溅射，N2的流量升高为4sccm，溅射功率升高至140W，溅射时间为90min，以形成B-C-N三元薄膜。
随后维持Ar的惰性气氛，在720℃的温度下对薄膜进行退火处理，处理时间为80min。
经测试，表面B-C-N薄膜的厚度约为150nm，薄膜表面的元素的原子百分含量为22.3B-51.6C-26.1N，表面的硬度约为14GPa。表面外观平整光滑，5mN时摩擦系数约为0.95。在空气中放置数日未有明显开裂、突起的问题出现。

Claims (2)

1.一种B-C-N三元薄膜的射频(13.56MHz)磁控溅射制备方法，其特征是：
首先，将金属基体材料表面抛光，并分别用丙酮、酒精和去离子水等在超声波清洗器中各清洗约10min后，用氮气吹干备用。
随后，将基体材料置于真空室内的样品台上，并将Ti靶和石墨/硼复合靶分别置于不同的靶位，其中所述的石墨/硼复合靶是将环状的硼套在圆片状的石墨外，且石墨与硼的面积比在2.5∶1-2∶1之间，石墨的纯度为99.999％、硼的纯度为99.9％，石墨/硼复合靶与基体材料距离为7-8cm。
随后将真空室内真空度抽到≤5×10-4Pa，同时通入流量为8-10sccm的Ar，当真空室气压为2-4Pa时，预溅射2-3min，预溅射的功率为50-70W，以进一步清洗基体材料的成膜表面。
随后维持Ar的流量为8-10sccm，控制基体材料温度为40-50℃，当真空室气压为1-1.5Pa时，向基体材料施加100-150V的负偏压，同时移开Ti靶的挡板，以50-70W的功率进行溅射，溅射时间为5-10min，以形成一层纯Ti薄膜。
随后开始通入流量为0.3-0.6sccm的N2，并维持Ar的流量为8-10sccm、真空室气压为1-1.5Pa、基体材料的负偏压为100-150V、基体材料的温度为40-50℃，继续以50-70W的功率进行溅射，溅射时间为15-25min，以形成一层Ti-N二元薄膜。
随后维持Ar的流量为8-10sccm、真空室气压为1-1.5Pa、基体材料的负偏压为100-150V，升高基体材料的温度为250-300℃，N2的流量为0.8-1sccm，移开石墨/硼复合靶的挡板，Ti靶维持以50-70W的功率进行溅射，而石墨/硼复合靶以100-110W功率进行溅射，溅射时间为15-25min，以形成Ti-B-C-N四元薄膜。
随后维持Ar的流量为8-10sccm、真空室气压为1-1.5Pa、基体材料的负偏压为100-150V、基体材料的温度为250-300℃，关闭Ti靶挡板而维持石墨/硼复合靶溅射，N2的流量升高为3.5-4.5sccm，溅射功率升高至130-140W，溅射时间为80-100min，以形成B-C-N三元薄膜。
随后维持Ar的惰性气氛，在700-750℃的温度下对薄膜进行退火处理，处理时间为60-90min。
2.根据权利要求1所述的一种B-C-N三元薄膜的射频(13.56MHz)磁控溅射制备方法，其特征是：所述B-C-N薄膜的厚度约为150nm，硬度约为14GPa，并且元素的原子百分含量为22.3B-51.6C-26.1N。
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