CN102660729A - ZrCN纳米复合膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ZrCN纳米复合膜，采用双靶射频反应溅射法以不锈钢为基底层制备得到，ZrCN纳米复合膜厚度为1~3微米，7.2at.%≤C≤11.9at.%，(C+N)/Zr原子比小于1，C进入ZrN晶格间隙完全形成间隙固溶体，ZrCN纳米复合膜的硬度≥29GPa；或者13.2at.%≤C≤15.4at.%， (C+N)/Zr原子比大于1，C除了进入ZrN晶格间隙形成间隙固溶体外，多余的C形成非晶CN或C单质，ZrCN纳米复合膜的硬度≥18.5GPa。

Description

ZrCN纳米复合膜及其制备方法

 

技术领域

    本发明涉及一种涂层及其制备方法，特别是一种ZrCN纳米复合膜及其制备方法，属于陶瓷涂层技术领域。

背景技术

现代加工技术的发展，尤其是高速切削、干式切削等工艺的出现，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。

而传统的单一镀层如TiN、CrN已不能完全胜任对刀具服役条件。相比于传统涂层，ZrN涂层具有化学及热稳定性高，硬度大，电阻率低，耐磨性好以及类似于黄金的金黄色等一系列优异的性能，因此，近年来ZrN涂层的研究日益受到重视。然而，虽然ZrN具有众多优异的性能，但是研究发现ZrN涂层的摩擦系数较高，这在很大程度上限制了它的应用。

因此，如何制备出一种涂层，使得其在硬度增加的基础上又能大幅度提高他的摩擦磨损性能是目前各研究工作者的主要工作之一。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种ZrCN纳米复合膜及其制备方法。本发明克服了传统涂层硬度不够高、耐磨性不够好的缺点，具有较高生产效率，兼具高硬度和优异摩擦磨损性能，可作为高速、干式切削的涂层。

     本发明是通过以下技术方案实现的：一种ZrCN纳米复合膜，采用双靶射频反应溅射法以不锈钢为基底层制备得到， ZrCN纳米复合膜厚度为1~3微米， 7.2 at.%≤C≤11.9 at.%，(C+N)/Zr原子比小于1，C进入ZrN晶格间隙完全形成间隙固溶体，ZrCN纳米复合膜的硬度≥29GPa；或者13.2 at.%≤C≤15.4 at.% ，(C+N)/Zr原子比大于1，C除了进入ZrN晶格间隙形成间隙固溶体外，多余的C形成非晶CN或C单质，ZrCN纳米复合膜的硬度≥18.5GPa。

所述的不锈钢基底上设有Zr衬底层，厚度为100~120nm。

 一种制备所述的ZrCN纳米复合膜的方法，采用双靶射频反应溅射法制备得到，首先将不锈钢基底表面作镜面抛光处理，然后真空条件下，采用Zr和C靶进行双靶射频反应溅射方法在不锈钢基体上共同沉积Zr和C，同时通入Ar和N₂，最终得到ZrCN纳米复合膜，Zr靶功率固定为200W，C靶在功率30~150W之间任意值。

沉积之前，通过挡板隔离基片与离子区，Zr和C靶先进行10分钟的预溅射。

在不锈钢基底上先沉积一层Zr为衬底层，厚度为100~120nm。

有益效果:

 1. 对于具有NaCl晶体结构的过渡族元素的碳氮化物来说，成键类型对其硬度造成的影响要远大于微结构对其硬度的影响，并且当其单位价电子数在8.4附近时，该类化合物具有最大的硬度值。因此，本发明通过改变C含量使得ZrCN涂层的单位价电子数在8到9之间变化，从而使ZrCN纳米复合膜能够获得最高33GPa的硬度，明显高于ZrN单一薄膜。

 2. 本发明制备的ZrCN纳米复合膜的最低摩擦系数为0.24，摩擦磨损性能明显优于ZrN单一薄膜。

3.本发明通过控制C靶的功率以达到调节复合膜中C含量的目的，选择不同的C含量以控制最终得到的膜的微观结构，力学性能及摩擦磨损性能。而ZrCN复合膜的摩擦系数与表面粗糙度则随着C含量的增加呈现单调递减的趋势。C的含量越高，薄膜摩擦系数越低，摩擦磨损性能越好，但的C含量过高时，薄膜的硬度也会急剧降低，因此选择合适的C含量使得薄膜具有优异的摩擦磨损性能的同时又兼具高硬度就显得尤为重要。

附图说明

图1   本发明ZrCN纳米复合薄膜的C含量与C靶功率的关系图。

图2   本发明ZrCN纳米复合薄膜的XRD谱图。

图3   本发明ZrCN纳米复合薄膜的晶粒尺寸与C含量的关系图。

图4   本发明ZrCN纳米复合薄膜的表面粗糙度与C含量的关系图。

图5   ZrN薄膜的表面形貌图。

图6   本发明的含C量15.2%的ZrCN复合膜的表面形貌图。

图7   本发明ZrCN纳米复合薄膜的硬度与C含量的关系图。

图8   本发明ZrCN纳米复合薄膜与ZrN薄膜的摩擦系数图。

图9   本发明ZrCN纳米复合薄膜与C含量的关系图。

具体实施方式

本发明所述ZrCN纳米复合膜制备过程如下:

薄膜制备采用JGP450型多靶磁控溅射仪，它由2个RF溅射枪和一个DC溅射枪组成，基片架与溅射枪的间距为78 mm。将纯度为99.9%的Zr靶和纯度为99.999%的C靶分别装在2个RF溅射枪上，靶材的尺寸为直径75 mm，厚度5 mm。真空室本底真空优于6.0×10^-4 Pa。将基片样品装入真空室内可旋转的基片架上，向真空室内通入纯度均为99.999%的Ar和N₂，其中Ar气流量为10 sccm，N₂气流量为2 sccm，工作气压控制在0.3 Pa。制备ZrCN薄膜的过程中，Zr靶功率保持在200 W，C靶功率分别为30、60、90、120和150 W，从而制备不同C含量的ZrCN复合膜。沉积之前，通过挡板隔离基片与离子区，Zr和C靶进行10分钟的预溅射。在制备ZrCN复合膜之前先在基片表面沉积厚度约为100 nm的Zr层作为过渡层，然后再沉积厚度约2 μm的ZrCN薄膜。

选用衬底为单晶硅片的薄膜进行成分、相结构的研究；选用衬底为不锈钢的复合膜进行显微硬度和摩擦磨损性能的研究。

以下结合本发明的内容提供实施例： 

 实施例1

 本发明ZrCN复合薄膜的制备方法的具体工艺参数为：Ar气流量为10sccm，N₂气流量为2sccm。Zr靶溅射功率为200W， C靶溅射功率为30W，沉积2h，膜厚约2微米。由此得到的ZrCN复合薄膜中Zr的含量为52.2%（原子分数，下同）, C的含量为7.1%，(C+N)/Zr原子比小于1，C进入ZrN晶格间隙形成间隙固溶体，薄膜的硬度为29.4GPa，摩擦系数为0.62，表面粗糙度为31 ?。

实施例2

本发明ZrCN复合薄膜的制备方法的具体工艺参数为：Ar气流量为10sccm，N₂气流量为2sccm。Zr靶溅射功率为200W， C靶溅射功率为60W，沉积2h，膜厚约2微米。由此得到的ZrCN复合薄膜中Zr的含量为52.4%，C的含量为8%，(C+N)/Zr原子比小于1，C进入ZrN晶格间隙形成间隙固溶体，薄膜的硬度为29.7GPa，摩擦系数为0.59，表面粗糙度为26 ?。

实施例3

本发明ZrCN复合薄膜的制备方法的具体工艺参数为：Ar气流量为10sccm，N2气流量为2sccm。Zr靶溅射功率为200W， C靶溅射功率为90W，沉积2h，膜厚约2微米。由此得到的ZrCN复合薄膜中Zr的含量为49.4%，C的含量为11.9%，(C+N)/Zr原子比小于1，C进入ZrN晶格间隙形成间隙固溶体，薄膜的硬度为33.3GPa，摩擦系数为0.41，表面粗糙度为14 ?。

实施例4

本发明ZrCN复合薄膜的制备方法的具体工艺参数为：Ar气流量为10sccm，N2气流量为2sccm。Zr靶溅射功率为200W， C靶溅射功率为60W，沉积2h，膜厚约2微米。由此得到的ZrCN复合薄膜中Zr的含量为47.6%，C的含量为13.2%，(C+N)/Zr原子比大于1，C进入ZrN晶格间隙形成间隙固溶体，多于的C形成非晶CN或C单质，薄膜的硬度为31.6GPa，摩擦系数为0.26，表面粗糙度为10 ?。

实施例5

本发明ZrCN复合薄膜的制备方法的具体工艺参数为：Ar气流量为10sccm，N2气流量为2sccm。Zr靶溅射功率为200W， C靶溅射功率为60W，沉积2h，膜厚约2微米。由此得到的ZrCN复合薄膜中Zr的含量为46.1%，C的含量为15.4%，(C+N)/Zr原子比大于1，C进入ZrN晶格间隙形成间隙固溶体，多于的C形成非晶CN或C单质，薄膜的硬度为18.5GPa，摩擦系数为0.24，表面粗糙度为2.2 ?。 

Claims (5)

1.一种ZrCN纳米复合膜，采用双靶射频反应溅射法以不锈钢为基底层制备得到，其特征在于，ZrCN纳米复合膜厚度为1~3微米， 7.2 at.%≤C≤11.9 at.%，(C+N)/Zr原子比小于1，C进入ZrN晶格间隙完全形成间隙固溶体，ZrCN纳米复合膜的硬度≥29GPa；或者13.2 at.%≤C≤15.4 at.% ，(C+N)/Zr原子比大于1，C除了进入ZrN晶格间隙形成间隙固溶体外，多余的C形成非晶CN或C单质，ZrCN纳米复合膜的硬度≥18.5GPa。

2.如权利要求1所述的ZrCN纳米复合膜，其特征在于，所述的不锈钢基底上设有Zr衬底层，厚度为100~120nm。

3.一种制备权利要求1所述的ZrCN纳米复合膜的方法，采用双靶射频反应溅射法制备得到，其特征在于，首先将不锈钢基底表面作镜面抛光处理，然后真空条件下，采用Zr和C靶进行双靶射频反应溅射方法在不锈钢基体上共同沉积Zr和C，同时通入Ar和N₂，最终得到ZrCN纳米复合膜，Zr靶功率固定为200W，C靶在功率30~150W之间任意值。

4.如权利要求3所述的制备ZrCN纳米复合膜的方法，其特征在于，沉积之前，通过挡板隔离基片与离子区，Zr和C靶先进行10分钟的预溅射。

5.如权利要求3所述的制备ZrCN纳米复合膜的方法，其特征在于，在不锈钢基底上先沉积一层Zr为衬底层，厚度为100~120nm。

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