CN104109831A - TiWCN 硬质薄膜及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TiWCN硬质薄膜及制备方法，其特征在于该薄膜是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的，薄膜分子式表示为Ti(W，C，N)，厚度在1-3μm。沉积时，真空度优于3.0×10^-5Pa时，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:(1-3)。Ti靶溅射功率230-280W，W靶溅射功率为80-100W，C靶溅射功率为0-120W。所得硬质涂层综合具备了高硬度，高耐磨性的优良特点。

Description

TiWCN 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TiWCN硬质纳米结构复合膜及制备方法，属于陶瓷涂层技术领域。 

背景技术

随着现代加工技术的发展，特别是高速、干式切削等加工方式的出现，要求应用于刀具的涂层具有更高的硬度，并兼具优良的摩擦磨损性能。然而，现有的刀具涂层虽然具有较高硬度，但它们的摩擦磨损性能都不理想，无法满足要求。金属基碳氮多元复合膜(M1M2CN)较二元或三元薄膜具有较高的硬度和优异的摩擦磨损性能，制备四元或四元以上的涂层材料已成为目前研究的热点。目前，市场上还没有发现TiWCN薄膜被用作刀具涂层材料。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，此种硬质涂层具有很好的研究价值。 

发明内容

为了克服现有TiN系硬质纳米结构复合膜及多层膜摩擦磨损性能不理想等缺点，本发明的目的在于提供一种TiWCN硬质纳米结构薄膜，兼具高硬度和优异的摩擦磨损性能，可作为高速、干式切削的纳米结构硬质薄膜。 

本发明的另一个目的在于提供一种TiWCN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的： 

一种TiWCN硬质纳米结构薄膜，是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的，薄膜分子式表示为Ti(W，C，N)(根据组份命名)，厚度在1-3μm。 

一种TiWCN硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于，利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； 

Ti靶溅射功率230-280W，W靶溅射功率为80-100W，C靶溅射功率为0-120W。 

沉积时，真空度优于3.0×10^-5Pa，以氩气起弧，氮气为反应气体，溅射气压0.3Pa，氩氮流量比10:(1-3)； 

在基体上预先沉积纯Ti作为过渡层。 

Ti靶溅射功率230-280W，W靶溅射功率80-100W,C靶溅射功率为0-120W； 

较佳地：Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，C靶溅射功率0-120W； 

再佳地：Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，C靶溅射功率30-120W； 

更佳地：Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，C靶溅射功率60-120W； 

最佳地：Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，C靶溅射功率90W，此时，薄膜硬度高达35.97GPa，干切削实验下，磨损率为1.26×10^-8mm³·N^-1mm^-1。 

本发明的TiWCN硬质纳米结构薄膜是采用高纯Ti靶、W靶和C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的，薄膜厚度在1-3μm，溅射反应过程中，C靶功率在0-120W之间，当C靶功率为90W时，薄膜的硬度高达35.97GPa，干切削实验下，磨损率为1.26×10^-8mm³·N^-1mm^-1，这种硬质涂层 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C靶功率的TiWCN薄膜拉曼光谱。由图可知，当C靶功率增至90W时，在1390cm^-1处出现了微弱的D峰，在1580cm^-1处出现的G峰比较明显；当C靶功率为120W时，D峰和G峰强度明显增强，这两个峰的出现表明了薄膜中存在非晶石墨相。 

图2为本发明实施例所得TiWCN薄膜硬度(GPa)、残余应力(GPa)与C靶功率的变化关系；随C靶功率的增加，薄膜硬度显著升高，当C靶功率为90W时，薄膜硬度高达35.97GPa，C靶功率超过90W时，随着C靶功率提高，薄膜硬度急剧降低。 

图3为本发明实施例所得TiWCN薄膜室温干切削实验下平均摩擦系数及磨损率与C靶功率的变化关系；由图可见，随着C靶功率的增加，TiWCN薄膜的摩擦系数逐渐减小，而磨损率先减小后增大，当C靶功率为90W时，磨损率获得最小值，为1.26×10^-8mm³·N^-1mm^-1。 

图4为本发明实施例所得TiWN薄膜和TiWCN薄膜(C靶功率为120W)干切削实验下平均摩擦系数及磨损率与温度变化关系。由图可见，随着温度的升高，TiWN薄膜和TiWCN薄膜的摩擦系数先增大后减小，而磨损率一直增大；当温度升至700℃时，TiWCN薄膜的摩擦系数和磨损率分别为0.501和5.56×10^-7mm³·N^-1mm^-1。当温度低于380℃左右时，TiWCN薄膜的摩擦系数和磨损率均小于TiWN薄膜；当温度超过380℃左右时，TiWCN薄膜的摩擦系数和磨损率均高于TiWN薄膜。 

具体实施方法 

本发明是通过在高速钢等硬质合金或陶瓷的基体上采用，。 

具体技术方案内容如下： 

在JGP-450高真空多靶磁控溅射设备上进行双靶共焦射频反应沉积生成TiWCN硬质纳米结构复合膜。该磁控溅射仪有三个溅射靶，纯Ti靶(99.99％)、纯W靶(99.9％)和C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，溅射时间为2h，薄膜厚度为1-3μm。纯Ti靶、纯W靶分别安装在独立的射频阴极上，C靶(99.99％)装在直流阴极上，靶材直径为75mm。 

将基体(衬底)表面作镜面抛光处理，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。 

向真空室内充入纯度均为99.999％的Ar、N₂混合气体。沉积TiWCN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10min，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Ti作为过渡层，以增强膜基结合力。其中，选用衬底为单晶Si片(100)对薄膜的成分、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。真空室本底真空优于3.0×10^-5Pa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10:2。 

固定Ti靶功率为250W，W靶溅射功率为90W，制备一系列不同C靶功率(0-120W)的TiWCN薄膜。 

以下实施例1-5考察了固定Ti靶、W靶的前提下，不同的C靶功率对薄膜 硬度、干切削实验下摩擦系数和磨损率的影响，见表1。 

表1 

实施例6-9比较了不同磨损温度的干式摩擦削实验中，TiWN薄膜与TiWCN薄膜的摩擦系数、磨损率，见表2： 

表2 

以上仅列举了Ti靶功率固定为250W，W靶功率为90W，C靶功率为0-120W的情况，其中C靶功率为0仅作为对比参照实例，在实际操作中，可操作功率是Ti靶功率230-280W，W靶溅射功率80-100W，C靶溅射功率为0-120W，沉积过程的溅射气压0.3Pa、氩氮流量比10:(1-3)。 

Claims (7)

1.一种TiWCN硬质薄膜，其特征是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的，薄膜分子式表示为Ti(W，C，N)，厚度在1-3μm，当Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，C靶溅射功率90W时，膜硬度高达35.97GPa，干切削实验下，磨损率为1.26×10^-8mm³·N^-1mm^-1。 

2.一种如权利要求1所述的TiWCN硬质薄膜的制备方法，其特征在于，利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；Ti靶溅射功率230-280W，W靶溅射功率为80-100W，C靶溅射功率为0-120W；沉积时，真空度优于3.0×10^-5Pa，以氩气起弧，氮气为反应气体，溅射气压0.3Pa，氩氮流量比10:(1-3)。 

3.根据权利要求2所述的TiWCN硬质薄膜的制备方法，其特征在于在基体上预先沉积纯Ti作为过渡层。 

4.根据权利要求2所述的TiWCN硬质薄膜的制备方法，其特征在于Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，C靶溅射功率0-120W。 

5.根据权利要求2所述的TiWCN硬质薄膜的制备方法，其特征在于Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，C靶溅射功率30-120W。 

6.根据权利要求2所述的TiWCN硬质薄膜的制备方法，其特征在于Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，C靶溅射功率60-120W。 

7.根据权利要求2所述的TiWCN硬质薄膜的制备方法，其特征在于Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率90W，C靶溅射功率90W，此时，薄膜硬度高达35.97GPa，干切削实验下，磨损率为1.26×10^-8mm³·N^-1mm^-1。