CN104032269A

CN104032269A - NbN-Ag硬质薄膜及制备方法

Info

Publication number: CN104032269A
Application number: CN201410245844.2A
Authority: CN
Inventors: 许俊华; 喻利花; 胡红霞
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2014-06-04
Filing date: 2014-06-04
Publication date: 2014-09-10

Abstract

本发明涉及NbN-Ag硬质薄膜及其制备方法，其特征在于硬质薄膜分子式为NbN-Ag，厚度为1～5μm，Ag含量为0～50at.％且大于0；是以高纯Nb靶和Ag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得到，沉积时，真空度<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:(1～10)；Nb靶溅射功率100～500W，Ag靶溅射功率0～150W。本发明具有高的生产效率，所得薄膜具有高硬度和优异的摩擦磨损性能，可作为高速、干式切削的结构硬质薄膜。

Description

NbN-Ag硬质薄膜及制备方法

技术领域

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

背景技术

过渡族金属氮化物，如TiN，具有较高的硬度，耐磨性和优良的耐腐蚀性能，许多工业领域也有重要的用途。随着制造技术的高速发展，尤其是高速切削、干式切削等工艺的出现，对刀具的切削性能提出了更高的要求。相比于TiN薄膜，NbN薄膜具有化学及热稳定性高，硬度大等一系列优异的性能，因此，近年来NbN薄膜的研究日益受到重视。

近年来，由于在硬质耐磨基体上添加软质润滑相形成的多功能涂层在瞬时和循环环境下具有良好的摩擦性能而得到深入研究。尤其是银和金等贵重金属在碳化物、氧化物、氮化物集体中充当固体润滑相。C.C.Tseng等人研究表明，在氮化物薄膜中掺入可以作为固体润滑剂的软金属(例如银或铜)能够降低摩擦系数。孙嘉奕等人采用多弧离子镀制备了TiAgN复合薄膜，分析了Ag含量对复合薄膜的摩擦性能的影响，结果表明Ag为基体的薄膜具有低摩擦和低磨损的特性，同时硬度和韧性较好。C.P.Mulligan等人研究了Ag对CrN薄膜结构和性能的影响，研究表明在特定温度下Ag在CrN基中具有很大的流动性，并且可以有效降低摩擦系数和磨损率，Ag元素的引入能够有效的改良500℃下CrN薄膜的摩擦磨损性能,但对NbN薄膜的影响尚无人研究。

发明内容

为了克服现有NbN系硬质纳米结构复合膜及多层膜高温摩擦磨损性能不佳的缺点，本发明提供一种NbN-Ag硬质薄膜，兼具高硬度和优异的摩擦磨损性能，可作为高速、干式切削的结构硬质薄膜。

本发明的另一个目的是提供一种NbN-Ag硬质薄膜的制备方法，具有高的生产效率。

为了实现上述发明目的，本发明是采用了以下技术方案：

NbN-Ag硬质薄膜，是以高纯Nb靶和Ag靶为靶材，采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得到的，薄膜分子式为NbN-Ag，厚度为1～5μm，Ag含量为0～50at.％且大于0，NbN-Ag薄膜的摩擦系数在25℃-700℃范围随着温度升高而降低。

硬质合金可以是高速钢、不锈钢。

Ag含量为0-50at.％且大于0；较佳为0-18.97at.％且大于0。

NbN-Ag硬质薄膜的制备方法，是以高纯Nb靶和Ag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1～5μm厚、Ag含量为0～50at.％且大于0的NbN-Ag薄膜，沉积时，真空度<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:(1～10)；

Nb靶溅射功率100～500W，Ag靶溅射功率0～150W。

Nb靶溅射功率200W，Ag靶溅射功率0～150W且大于0。较佳，Nb靶溅射功率200W，Ag靶溅射功率15W-30W。再较佳，Nb靶溅射功率200W，Ag靶最优溅射功率20W。在基体上先沉积纯Nb作为过渡层。

加入一定用量范围的Ag元素后，NbN-Ag复合膜的硬度升高达到20GPa以上，最高硬度为29.68GPa，可能与下列因素有关：其一是，Ag未进入NbN晶格，分布在晶界处修补了晶界，晶粒间的连接得到加强，提高力学性能；其二是，Ag的加入可以消除薄膜的微裂纹，因Ag具本身有良好的塑性，扩展的裂纹遇到Ag颗粒时，Ag颗粒能通过塑性变形来松弛裂纹尖端的应力集中，使裂纹钝化；但是，当Ag掺杂量较大时将导致大量表面缺陷的产生，导致硬度降低。

附图说明

图1为随着Ag含量的增加所得NbN-Ag薄膜的XRD图谱；从图1分析得出，Ag原子对NbN-Ag复合膜相结构影响不大。NbN-Ag复合膜呈面心立方结构NbN的(111)、(200)和(220)面衍射峰及六方结构NbN的(101)面衍射峰，但是对薄膜的择优取向有一定的影响。NbN薄膜呈面心立方NbN(200)面择优。加入Ag原子后，薄膜的(200)与(111)峰逐渐减弱，(220)峰增强，薄膜转变为面心立方NbN(220)面择优。NbN-Ag复合膜除了观察到尖锐的NbN的衍射峰，还观察较弱的Ag的(110)峰。说明NbN-Ag复合膜中Ag不是进入NbN晶格而形成固溶体，而是以单质形式分散存在于NbN粒子之间，根据主要成分确定薄膜分子式为NbN-Ag；

图2为本发明实施例制备的NbN-Ag薄膜硬度与Ag含量(at.％)的关系曲线，薄膜具有最大硬度29.68GPa；

图3为本发明实施例制备的NbN-Ag薄膜的摩擦系数与Ag含量的关系曲线；从图3可以看出，NbN单层膜摩擦系数大概为0.65左右，加入Ag元素后，随着Ag含量的增加，平均摩擦系数不断降低，最小值为0.2。Ag元素的加入，有效的降低了薄膜的摩擦系数，NbN-Ag硬质结构薄膜兼具优异的摩擦磨损性能；

图4为本发明实施例制备的NbN-Ag薄膜的常温磨损率与Ag含量的关系曲线；从图4可以看出，NbN薄膜的磨损率为3.43×10^-8mm³/N.m，随着Ag含量的增加，复合膜的磨损率呈先增加后减低的趋势，在Ag含量为5.27at.％时，薄膜的磨损率最低，为2.84×10^-8mm³/N.m；

图5为本发明实施例制备的NbN-Ag薄膜在干切削实验下平均摩擦系数随摩擦温度变化曲线(Ag含量为5.27at.％)；从图5可以看出，对NbN-Ag复合膜进行高温干切削实验，从室温至700℃，随着温度的升高，摩擦系数逐渐降低，这是由于当在空气中进行进行摩擦实验时，磨擦表面会发生氧化反应生成氧化物，这些氧化物会影响涂层的摩擦磨损性能。在较高的温度下，氧、银和过渡金属反应能够形成金属氧化物相(铌酸银)；

图6为本发明制备的Ag含量为5.27at.％的NbN-Ag复合膜高温摩擦磨损后的XRD图谱。图中可以分析得出，在700℃时NbAgO₃相存在，是导致薄膜在700℃体现出较低摩擦系数的主要原因。

具体实施方式

NbN-Ag薄膜的制备是在JGP-450高真空多靶磁控溅射设备上完成的。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。

以纯Nb靶(99.9％)和纯Ag靶(99.95％)为双靶，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，通过在硬质合金或陶瓷的衬底上采用纯Nb靶和纯Ag靶进行双靶共焦射频反应溅射方法沉积生成NbN-Ag硬质结构薄膜。沉积NbN-Ag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5～20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100～300nm的纯Nb作为过渡层，以增强膜基结合力。溅射时间为2h,薄膜厚度为1～5μm。

其中，衬底分别在丙酮和无水乙醇超声波中各清洗10min，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:(1～10)。固定Nb靶功率固定为100W～500W，Ag靶溅射功率为0～150W，通过改变Ag靶溅射功率制备一系列不同Ag含量的NbN-Ag薄膜。

以下结合本发明的内容具体实施例：

表1所示的实施例1-7考察了不同Ag含量对所得薄膜薄膜硬度和常温摩擦系数的影响，相应附图见图2、3，4，可见Ag含量为5.27at.％即Ag靶20W、Nb靶200W时硬度最高。

表1

表2所示的实施例8-10对Ag含量为5.27at.％的NbN-Ag薄膜进行摩擦实验的考察结果，相关附图见图5。

表2

以上实施例1-10仅列举了Nb靶功率固定为200W，氩氮流量比为10:5的情况，在实际操作中，可操作功率是Nb靶功率100～500W，沉积过程的溅射气压0.3Pa、氩氮流量比10:(1～10)。

Claims

1.NbN-Ag硬质薄膜，其特征在于是以高纯Nb靶和Ag靶为靶材，采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得到的，薄膜分子式为NbN-Ag，厚度为1～5μm，Ag含量为0～50at.％且大于0，NbN-Ag薄膜的摩擦系数在25℃-700℃范围随着温度升高而降低。

2.根据权利要求1所述的NbN-Ag硬质薄膜，其特征在于所述的硬质合金可以是高速钢、不锈钢。

3.根据权利要求1所述的NbN-Ag硬质薄膜，其特征在于所述的Ag含量为0-50at.％且大于0。

4.根据权利要求1所述的NbN-Ag硬质薄膜，其特征在于所述的Ag含量为0-18.97at.％且大于0。

5.NbN-Ag硬质薄膜的制备方法，其特征在于是以高纯Nb靶和Ag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1～5μm厚、Ag含量为0～50at.％且大于0的NbN-Ag薄膜，沉积时，真空度<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:(1～10)；Nb靶溅射功率100～500W，Ag靶溅射功率0～150W。

6.根据权利要求5所述的NbN-Ag硬质薄膜的制备方法，其特征在于Nb靶溅射功率200W，Ag靶溅射功率0～150W且大于0。

7.根据权利要求5所述的NbN-Ag硬质薄膜的制备方法，其特征在于Nb靶溅射功率200W，Ag靶溅射功率15W-30W。

8.根据权利要求5所述的NbN-Ag硬质薄膜的制备方法，其特征在于Nb靶溅射功率200W，Ag靶最优溅射功率20W。

9.根据权利要求5所述的NbN-Ag硬质薄膜的制备方法，其特征在于在基体上先沉积纯Nb作为过渡层。