CN104060231A

CN104060231A - TaN-Ag硬质薄膜及制备方法

Info

Publication number: CN104060231A
Application number: CN201410264441.2A
Authority: CN
Inventors: 喻利花; 许俊华; 黄婷
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Priority date: 2014-06-13
Filing date: 2014-06-13
Publication date: 2014-09-24

Abstract

本发明公开了一种TaN-Ag硬质薄膜及其制备方法，TaN-Ag硬质薄膜是以高纯Ta靶和Ag靶为靶材，采用多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TaN-Ag，厚度在1-3μm；沉积时，真空度优于3.0×10^-3Pa，以氩气起弧，氮气为反应气体，溅射气压0.3Pa、氩氮流量比10:(2-5)；Ta靶功率为150-250W，Ag靶功率为0-40W且大于0。所得硬质涂层综合具备了高硬度，良好的耐磨性等优良特点。

Description

TaN-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TaN-Ag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

为了满足现代工业的快速发展，尤其是干式加工、高速切削加工等加工方式的出现，不仅要求切削刀具上的涂层具有高硬度、优异的高温抗氧化性能，而且更需要涂层具有优良的耐摩磨性能。传统的刀具涂层虽然具有较高硬度，但它们的耐磨性能不太理想，无法满足要求。氮化钽(TaN)薄膜具有高熔点、高硬度、良好的生物相容性等优异性能，可广泛用于集成电路构件、医学领域等中。溅射法制备的TaN薄膜硬度高达到22GPa，但其摩擦系数较高，约为0.7，与现代加工技术所要求的高硬度耐磨涂层如TiN相比，TaN薄膜耐磨性能较差，因而市场上没有发现二元的TaN薄膜用作切削刀具的保护涂层。

发明内容

为了克服现有TaN硬质纳米结构摩擦磨损性能不理想的缺点，本发明的目的是提供一种TaN-Ag硬质纳米结构薄膜，兼具高硬度和良好的摩擦磨损性能，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TaN-Ag硬质纳米结构薄膜的制备方法，具有较高生产效率。

本发明是通过以下技术方案实现上述目的的：

一种TaN-Ag硬质纳米结构薄膜，是以高纯Ta靶和Ag靶为靶材，采用多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，薄膜分子式为TaN-Ag，厚度在1-3μm，Ag含量为0-10at.％且大于0；

一种TaN-Ag硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于，是以高纯Ta靶和Ag靶为靶材，采用双靶共焦射频反应溅射沉积在硬质合金或陶瓷基体上；在基体上预先沉积纯Ta作为过渡层。

沉积时，真空度优于3.0×10^-3Pa，以氩气起弧，氮气为反应气体，溅射气压0.3Pa、氩氮流量比10:(2-5)；

Ta靶功率为150-250W，Ag靶功率为0-40W。

当Ag含量为0.86at.％时，复合膜的硬度达到最大值，为29GPa；

当Ag含量为6.4at.％时，室温摩擦系数低至0.52；

对Ag含量为6.4at.％的TaAgN复合膜进行高温干切削实验(室温至750℃)，在750℃时摩擦系数最低，为0.39。

根据薄膜的主要成分，将该薄膜命名为TaN-Ag，该薄膜具有高硬度和良好的摩擦磨损性能。

附图说明：

图1为本发明TaN-Ag薄膜中Ag含量与Ag靶功率的变化关系曲线。由图可知，Ag含量随靶功率的增加而增加；

图2为本发明TaN-Ag复合膜的XRD图谱，加入Ag元素后，加入Ag元素后，TaN-Ag复合膜和TaN薄膜的微结构相近，都是由面心立方结构的TaN相和底心斜方的Ta4N相组成，TaN-Ag复合膜中没有出现Ag的衍射峰。

图3为本发明TaN-Ag复合膜硬度与Ag含量的变化关系。复合膜的硬度随Ag含量的增加先升高后降低。当Ag含量为0.86at.％时，硬度最高为29GPa；当Ag含量高于0.86at.％时，薄膜的显微硬度逐渐下降；可知加入少量Ag元素后，薄膜的硬度提高很多，可以用作高硬材料；

图4为本发明室温下TaN-Ag复合膜的摩擦系数与Ag含量的变化关系。可见，TaN-Ag复合膜的平均摩擦系数随Ag含量的增加先保持稳定后减小；当Ag含量为6.4at.％时，平均摩擦系数达到最小值，为0.52；

图5为本发明TaN-Ag复合膜干切削实验下平均摩擦系数随摩擦温度变化关系。可见，随温度升高，复合膜的平均摩擦系数逐渐降低，750℃时，摩擦系数为0.39。

具体实施方式

以下将结合实施例具体说明本发明的制备方法，具体如下：

TaN-Ag复合膜的制备是在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。纯Ta靶(99.99％)和Ag(99.99％)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，通过在高速钢等硬质合金或陶瓷的基体上采用纯Ta靶和Ag靶进行双靶共焦射频反应溅射方法沉积生成TaN-Ag硬质纳米结构薄膜。沉积TaN-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10-15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100nm的纯Ta作为过渡层，以增强膜基结合力。溅射时间为2.5h,薄膜厚度为2-3μm。

其中，选用衬底为单晶硅片的薄膜进行成分、相结构和硬度进行研究；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^-4Pa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10:3，Ta靶功率固定为200W，制备一系列不同Ag靶功率(0-40W)的TaN-Ag薄膜。

实施例1-6考察了所得薄膜的硬度以及干切削实验下，室温平均摩擦系数随着Ag靶功率、Ag含量的变化情况，见表1：

表1

实施例7-11对Ag含量为6.4at.％的薄膜进行不同温度下的摩擦实验，结果见表2:

表2

以上仅列举了Ta靶功率固定为200W，Ag靶功率为0-40W，Ag含量为0-10at.％的情况，其中Ag含量为0at.％仅作为对比参照实例，在实际操作中，可操作功率是Ta靶功率150-250W，Ag靶功率为0-40W，沉积过程的溅射气压0.3Pa、氩氮流量比10:(2-5)。

Claims

1.一种TaN-Ag硬质薄膜，其特征在于是以高纯Ta靶和Ag靶为靶材，采用多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，薄膜分子式为TaN-Ag，厚度在1-3μm；

Ag含量为0-10at.％且大于0；

在0-0.86at.％范围内，薄膜的硬度随Ag含量的增加而升高，0.86at.％-10at.％范围内，薄膜的硬度随Ag含量的增加而降低，当Ag含量高于0.86at.％时硬度最高为29GPa；

平均摩擦系数随Ag含量的增加先保持稳定后减小；当Ag含量为6.4at.％时，平均摩擦系数达到最小值；当Ag含量为6.4at.％时的复合膜的平均摩擦系数随温度升高而降低，750℃时，摩擦系数最低为0.39。

2.一种TaN-Ag硬质薄膜的制备方法，其特征在于，是以高纯Ta靶和Ag靶为靶材，采用双靶共焦射频反应溅射沉积在硬质合金或陶瓷基体上；在基体上预先沉积纯Ta作为过渡层；

沉积时，真空度优于3.0×10^-3Pa，以氩气起弧，氮气为反应气体，溅射气压0.3Pa、氩氮流量比10:(2-5)；Ta靶功率为150-250W，Ag靶功率为0-40W且大于0。

3.根据权利要求1所述的TaN-Ag硬质薄膜的制备方法，其特征在于Ta靶功率为200W，Ag靶功率为0-40W且大于0。

4.根据权利要求1所述的TaN-Ag硬质薄膜的制备方法，其特征在于Ta靶功率为200W，Ag靶功率为20W-30W。

5.根据权利要求1所述的TaN-Ag硬质薄膜的制备方法，其特征在于Ta靶功率为200W，Ag靶功率为25W。