CN104005002A - WAlN硬质纳米结构薄膜及制备方法 - Google Patents

Abstract

本文发明公开了一种WAlN硬质纳米结构薄膜及其制备方法，其特征在于是该薄膜厚度1-3um，含有W、Al、N元素，其中W含量为60at.％-100at.％且不等于100at.％，Al含量为0at.％-40at.％且不等于0，N元素以CrN过渡层的形式存在。是以高纯W靶和Al靶为靶材，采用双靶共焦射频反应法在硬质合金或陶瓷基体上沉积获得，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、干式切削的纳米结构硬质薄膜。

Description

WAlN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WAlN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、干式切削等苛刻的服役条件。氮化钨(W₂N)因具有高熔点、高硬度、化学性质稳定、低摩擦系数及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，但其热稳定性不好，直接影响其在高温环境中的摩擦磨损性能。因此，与当代加工制造业所要求的理想高硬度耐磨损涂层相比，此类硬质涂层的摩擦磨损性能仍有不足。

发明内容

为了克服现有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，本发明的目的是提供一种WAlN硬质纳米结构薄膜，具有高硬度、热稳定性和摩擦磨损性能好，且具有较高生产效率，可作为高速、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WAlN硬质纳米结构薄膜的制备方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：

一种WAlN硬质纳米结构薄膜，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，薄膜厚度在1-3um，W含量为60at.％-100at.％，Al含量为0at.％-40at.％且大于0。

一种WAlN硬质纳米结构薄膜的制备方法，是利用以高纯W靶和Al靶为靶材，采用双靶共焦射频反应法在硬质合金或陶瓷基体上沉积获得。

W含量为60at.％-100at.％且小于100at.％，Al含量为0at.％-40at.％且大于0；

较佳地，W含量为61.4at.％-100at.％且小于100at.％，Al含量为0at.％-38.6at.％且大于0；

较佳地，Al含量为12.03at.％-38.6at.％；

更佳地，Al含量为22.03at.％-32.4at.％，最佳为32.4at.％，因为当Al含量为32.4at.％时，薄膜的硬度高达37GPa，干切削实验下，摩擦系数和磨损率为0.3和0.9×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

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)；

前述的WAlN硬质纳米结构薄膜的制备方法，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WAlN硬质纳米结构薄膜,厚度在1-3um，综合具备了高硬度，高耐磨性的优良特点。

附图说明

图1为本发明实施例所得不同Al含量的WAlN复合膜的XRD图谱，可见，WAlN薄膜具有与W₂N薄膜(Al含量为0时)相似的面心立方结构，薄膜主要呈(200)择优取向生长。(根据复合膜的主要成分W、Al、N，发明人将薄膜命名为WAlN)。

图2为本发明实施例所得WAlN薄膜硬度(GPa)与Al含量(at.％)的变化关系；在0-40at.％的范围内，随Al含量的增加，薄膜的显微硬度逐渐升高，当Al含量为32.4at.％时，硬度最高为37GPa，Al含量高于32.4at.％时，随着Al含量增加，薄膜的显微硬度逐渐下降。

图3为本发明实施例所得WAlN复合膜干切削实验下平均摩擦系数及磨损率与Al含量的变化关系曲线，在0-40at.％的范围内，随Al含量的增加，薄膜的平均摩擦系数和磨损率均先减小后增大，Al含量为32.4at.％时，摩擦系数和磨损率达到最小，分别为0.30和0.9×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

图4为本发明实施例所得WAlN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，当温度升至200℃时，WAlN复合膜的摩擦系数增大；继续升高温度时摩擦系数反而减小。而随温度的升高，复合膜的磨损率逐渐增大。

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WAlN硬质纳米结构薄膜是在JGP-450高真空多靶磁控溅射设备上完成的，采用高纯W靶和Al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Al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Al靶进行双靶共焦射频反应溅射方法沉积生成WAlN硬质纳米结构薄膜。

沉积WAlN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1-3um。

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，制备以下实施例的不同Al含量(0at.％-40at.％)的WAlN薄膜。

对照例

实验参数：W含量为100at.％，Al含量为0at.％，所得薄膜为W₂N，薄膜硬度为27GPa。干切削实验下，平均摩擦系数为0.37，磨损率为1.6×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

实施例2

实验参数：W含量为87.65at.％，Al含量为12.35at.％，硬度为30GPa。干切削实验下，平均摩擦系数为0.33，磨损率为1.29×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

实施例3

实验参数：W含量为77.97at.％，Al含量为22.03at.％，硬度为34GPa。干切削实验下，平均摩擦系数为0.31，磨损率为1.17×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

实施例4

实验参数：W含量为67.6at.％，Al含量为32.4at.％，硬度为37GPa。干切削实验下，平均摩擦系数为0.3，磨损率为0.9×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

实施例5

实验参数：W含量为61.4at.％，Al含量为38.6at.％，硬度为35GPa。干切削实验下，平均摩擦系数为0.34，磨损率为1.24×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

实施例6

实验参数：W含量为67.6at.％，Al含量为32.4at.％，摩擦试验温度为200℃，摩擦系数为0.44，磨损率为1.3×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

实施例7

实验参数：W含量为67.6at.％，Al含量为32.4at.％，摩擦试验温度为400℃，摩擦系数为0.41，磨损率为2.3×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

实施例8

实验参数：W含量为67.6at.％，Al含量为32.4at.％，摩擦试验温度为600℃，摩擦系数为0.35，磨损率为4.2×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

实施例9

实验参数：W含量为67.6at.％，Al含量为32.4at.％，摩擦试验温度为800℃，摩擦系数为0.32，磨损率为8.2×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

以上仅列举了W含量为61.4at.％-100at.％，Al含量为0at.％-38.6at.％，氩氮流量比10:10的情况，其中Al含量为0at.％仅作为对比参照实例，Al含量为32.4at.％作为高温摩擦实例，在实际操作中，可操作是W含量为60at.％-100at.％，Al含量为0at.％-40at.％，沉积过程的溅射气压0.3Pa、氩氮流量比10:(6-15)。

Claims (7)

1.WAlN硬质纳米结构薄膜，其特征在于是采用双靶共焦射频反应溅射法在硬质合金或陶瓷基体上沉积得到，薄膜厚度1-3um，含有W、Al、N元素，其中W含量为60at.％-100at.％且不等于100at.％，Al含量为0at.％-40at.％且不等于0，N元素以CrN过渡层的形式存在。

2.WAlN硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于是以高纯W靶和Al靶为靶材，采用双靶共焦射频反应法在硬质合金或陶瓷基体上沉积获得，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，W含量为60at.％-100at.％且不等于100at.％，Al含量为0at.％-40at.％且不等于0。

3.权利要求2所述的WAlN硬质纳米结构薄膜的制备方法，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。

4.权利要求2所述的WAlN硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于W含量为61.4at.％-100at.％且不等于100at.％，Al含量为0at.％-38.6at.％。

5.权利要求2所述的WAlN硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于W含量为87.97at.％-67.6at.％，Al含量为12.03at.％-32.4at.％且不等于0。

6.权利要求2所述的WAlN硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于W含量为67.6at.％，Al含量为32.4at.％。

7.权利要求2所述的WAlN硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于所述的基体是不锈钢片或单晶Si片(100)。