NbN-Ag硬質薄膜及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及NbN-Ag硬質薄膜及其制備方法，其特征在于硬質薄膜分子式為NbN-Ag，厚度為1～5μm，Ag含量為0～50at.％且大于0；是以高純Nb靶和Ag靶為靶材，利用雙靶共焦射頻反應法在硬質合金或陶瓷基體上沉積得到，沉積時，真空度<3.0×10-3Pa，以氬氣起弧，氮氣為反應氣體進行沉積；濺射氣壓0.3Pa、氬氮流量比10:(1～10)；Nb靶濺射功率100～500W，Ag靶濺射功率0～150W。本發(fā)明具有高的生產效率，所得薄膜具有高硬度和優(yōu)異的摩擦磨損性能，可作為高速、干式切削的結構硬質薄膜。
【專利說明】NbN-Ag硬質薄膜及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種涂層及其制備方法，特別是一種NbN-Ag硬質結構薄膜及制備方法，屬于陶瓷涂層【技術領域】。
【背景技術】
[0002]過渡族金屬氮化物，如TiN，具有較高的硬度，耐磨性和優(yōu)良的耐腐蝕性能，許多工業(yè)領域也有重要的用途。隨著制造技術的高速發(fā)展，尤其是高速切削、干式切削等工藝的出現，對刀具的切削性能提出了更高的要求。相比于TiN薄膜，NbN薄膜具有化學及熱穩(wěn)定性高，硬度大等一系列優(yōu)異的性能，因此，近年來NbN薄膜的研究日益受到重視。
[0003]近年來，由于在硬質耐磨基體上添加軟質潤滑相形成的多功能涂層在瞬時和循環(huán)環(huán)境下具有良好的摩擦性能而得到深入研究。尤其是銀和金等貴重金屬在碳化物、氧化物、氮化物集體中充當固體潤滑相。c.C.Tseng等人研究表明，在氮化物薄膜中摻入可以作為固體潤滑劑的軟金屬(例如銀或銅)能夠降低摩擦系數。孫嘉奕等人采用多弧離子鍍制備了 TiAgN復合薄膜，分析 了 Ag含量對復合薄膜的摩擦性能的影響，結果表明Ag為基體的薄膜具有低摩擦和低磨損的特性，同時硬度和韌性較好。C.P.Mulligan等人研究了 Ag對CrN薄膜結構和性能的影響，研究表明在特定溫度下Ag在CrN基中具有很大的流動性，并且可以有效降低摩擦系數和磨損率，Ag元素的引入能夠有效的改良500°C下CrN薄膜的摩擦磨損性能，但對NbN薄膜的影響尚無人研究。

【發(fā)明內容】

[0004]為了克服現有NbN系硬質納米結構復合膜及多層膜高溫摩擦磨損性能不佳的缺點，本發(fā)明提供一種NbN-Ag硬質薄膜，兼具高硬度和優(yōu)異的摩擦磨損性能，可作為高速、干式切削的結構硬質薄膜。
[0005]本發(fā)明的另一個目的是提供一種NbN-Ag硬質薄膜的制備方法，具有高的生產效率。
[0006]為了實現上述發(fā)明目的，本發(fā)明是采用了以下技術方案:
[0007]NbN-Ag硬質薄膜，是以高純Nb靶和Ag靶為靶材，采用雙靶共焦射頻反應濺射法沉積在硬質合金或陶瓷基體上得到的，薄膜分子式為NbN-Ag，厚度為I~5 μ m，Ag含量為O~50at.%且大于0，NbN-Ag薄膜的摩擦系數在25°C _700°C范圍隨著溫度升高而降低。
[0008]硬質合金可以是高速鋼、不銹鋼。
[0009]Ag含量為0_50at.%且大于O ;較佳為0-18.97at.%且大于O。
[0010]NbN-Ag硬質薄膜的制備方法，是以高純Nb靶和Ag靶為靶材，利用雙靶共焦射頻反應法在硬質合金或陶瓷基體上沉積I~5 μ m厚、Ag含量為O~50at.%且大于O的NbN-Ag薄膜，沉積時，真空度〈3.0X 10_3Pa，以氬氣起弧，氮氣為反應氣體進行沉積；濺射氣壓0.3Pa、氬氮流量比10: (I~10)；
[0011 ] Nb靶濺射功率100~500W，Ag靶濺射功率O~150W。[0012]Nb靶濺射功率200W，Ag靶濺射功率O~150W且大于O。較佳，Nb靶濺射功率200W，Ag靶濺射功率15W-30W。再較佳，Nb靶濺射功率200W，Ag靶最優(yōu)濺射功率20W。在基體上先沉積純Nb作為過渡層。
[0013]加入一定用量范圍的Ag元素后，NbN-Ag復合膜的硬度升高達到20GPa以上，最高硬度為29.68GPa，可能與下列因素有關:其一是，Ag未進入NbN晶格，分布在晶界處修補了晶界，晶粒間的連接得到加強，提高力學性能；其二是，Ag的加入可以消除薄膜的微裂紋，因Ag具本身有良好的塑性，擴展的裂紋遇到Ag顆粒時，Ag顆粒能通過塑性變形來松弛裂紋尖端的應力集中，使裂紋鈍化；但是，當Ag摻雜量較大時將導致大量表面缺陷的產生，導致硬度降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為隨著Ag含量的增加所得NbN-Ag薄膜的XRD圖譜；從圖1分析得出，Ag原子對NbN-Ag復合膜相結構影響不大。NbN-Ag復合膜呈面心立方結構NbN的(111)、(200)和(220)面衍射峰及六方結構NbN的(101)面衍射峰，但是對薄膜的擇優(yōu)取向有一定的影響。NbN薄膜呈面心立方NbN(200)面擇優(yōu)。加入Ag原子后，薄膜的(200)與(111)峰逐漸減弱，(220)峰增強，薄膜轉變?yōu)槊嫘牧⒎絅bN(220)面擇優(yōu)。NbN-Ag復合膜除了觀察到尖銳的NbN的衍射峰，還觀察較弱的Ag的(110)峰。說明NbN-Ag復合膜中Ag不是進入NbN晶格而形成固溶體，而是以單質形式分散存在于NbN粒子之間，根據主要成分確定薄膜分子式為NbN-Ag ；
[0015]圖2為本發(fā)明實施例制備的NbN-Ag薄膜硬度與Ag含量(at.% )的關系曲線，薄膜具有最大硬度29.68GPa ；
[0016]圖3為本發(fā)明實 施例制備的NbN-Ag薄膜的摩擦系數與Ag含量的關系曲線；從圖3可以看出，NbN單層膜摩擦系數大概為0.65左右，加入Ag元素后，隨著Ag含量的增加，平均摩擦系數不斷降低，最小值為0.2。Ag元素的加入，有效的降低了薄膜的摩擦系數，NbN-Ag硬質結構薄膜兼具優(yōu)異的摩擦磨損性能；
[0017]圖4為本發(fā)明實施例制備的NbN-Ag薄膜的常溫磨損率與Ag含量的關系曲線；從圖4可以看出，NbN薄膜的磨損率為3.43X10_8mm3/N.m，隨著Ag含量的增加，復合膜的磨損率呈先增加后減低的趨勢，在Ag含量為5.27at.%時，薄膜的磨損率最低，為
2.84X10_8mm3/N.m ;
[0018]圖5為本發(fā)明實施例制備的NbN-Ag薄膜在干切削實驗下平均摩擦系數隨摩擦溫度變化曲線(Ag含量為5.27at.% );從圖5可以看出，對NbN-Ag復合膜進行高溫干切削實驗，從室溫至700°C，隨著溫度的升高，摩擦系數逐漸降低，這是由于當在空氣中進行進行摩擦實驗時，磨擦表面會發(fā)生氧化反應生成氧化物，這些氧化物會影響涂層的摩擦磨損性能。在較高的溫度下，氧、銀和過渡金屬反應能夠形成金屬氧化物相(鈮酸銀)；
[0019]圖6為本發(fā)明制備的Ag含量為5.27at.%的NbN-Ag復合膜高溫摩擦磨損后的XRD圖譜。圖中可以分析得出，在700°C時NbAgO3相存在，是導致薄膜在700°C體現出較低摩擦系數的主要原因。
【具體實施方式】[0020]NbN-Ag薄膜的制備是在JGP-450高真空多靶磁控濺射設備上完成的。該磁控濺射儀有三個濺射靶，分別安裝在三個水冷支架上，三個不銹鋼擋板分別安裝在三個靶前面，通過電腦自動控制。
[0021]以純Nb靶(99.9% )和純Ag靶(99.95% )為雙靶，分別安裝在獨立的射頻陰極上，靶材直徑為75mm。將高速鋼等硬質合金或陶瓷基體表面作鏡面拋光處理，向真空室內充入純度均為99.999%的Ar、N2混合氣體，通過在硬質合金或陶瓷的襯底上采用純Nb靶和純Ag靶進行雙靶共焦射頻反應濺射方法沉積生成NbN-Ag硬質結構薄膜。沉積NbN-Ag薄膜之前，通過擋板隔離基片與離子區(qū)，首先用Ar離子對靶材進行濺射5~20分鐘，以去除靶材表面的雜質，避免雜質帶入薄膜中。在基體上沉積100~300nm的純Nb作為過渡層，以增強膜基結合力。濺射時間為2h，薄膜厚度為I~5μπι。
[0022]其中，襯底分別在丙酮和無水乙醇超聲波中各清洗lOmin，以清除基體表面的油污與灰塵，快速烘干后裝入真空室可旋轉的基片架上。靶材到基片的距離約為11cm。真空室本底真空優(yōu)于3.0 X 10_3Pa后通入純度為99.999 %的氬氣起弧。工作氣壓保持在0.3Pa，同時Ar、N2流量比保持10: (I~10)。固定Nb靶功率固定為10W~500W，Ag靶濺射功率為O~150W，通過改變Ag靶濺射功率制備一系列不同Ag含量的NbN-Ag薄膜。
[0023]以下結合本發(fā)明的內容具體實施例:
[0024]表1所示的實施例1-7考察了不同Ag含量對所得薄膜薄膜硬度和常溫摩擦系數的影響，相應附圖見圖2、3，4，可見Ag含量為5.27at.%即Ag革巴20W、Nb革巴200W時硬度最聞。 [0025]表1
[0026]
【權利要求】
1.NbN-Ag硬質薄膜，其特征在于是以高純Nb靶和Ag靶為靶材，采用雙靶共焦射頻反應濺射法沉積在硬質合金或陶瓷基體上得到的，薄膜分子式為NbN-Ag，厚度為I~5 μ m，Ag含量為O~50at.%且大于O,NbN-Ag薄膜的摩擦系數在25°C _700°C范圍隨著溫度升高而降低。
2.根據權利要求1所述的NbN-Ag硬質薄膜，其特征在于所述的硬質合金可以是高速鋼、不銹鋼。
3.根據權利要求1所述的NbN-Ag硬質薄膜,其特征在于所述的Ag含量為0-50at.%且大于O。
4.根據權利要求1所述的NbN-Ag硬質薄膜，其特征在于所述的Ag含量為0-18.97at.%且大于 O。
5.NbN-Ag硬質薄膜的制備方法，其特征在于是以高純Nb靶和Ag靶為靶材，利用雙靶共焦射頻反應法在硬質合金或陶瓷基體上沉積I~5μηι厚、Ag含量為O~50at.%且大于O的NbN-Ag薄膜，沉積時，真空度〈3.0 X 10?,以氬氣起弧，氮氣為反應氣體進行沉積；濺射氣壓0.3Pa、氬氮流量比10: (I~10) ；Nb靶濺射功率100~500W，Ag靶濺射功率O~150W。
6.根據權利要求5所述的NbN-Ag硬質薄膜的制備方法，其特征在于Nb靶濺射功率200W, Ag靶濺射功率O~150W且大于O。
7.根據權利要求5所述的NbN-Ag硬質薄膜的制備方法，其特征在于Nb靶濺射功率200W, Ag靶濺射功率15W -30W。
8.根據權利要求5所述的NbN-Ag硬質薄膜的制備方法，其特征在于Nb靶濺射功率200W, Ag靶最優(yōu)濺射功率20W。
9.根據權利要求5所述的NbN-Ag硬質薄膜的制備方法，其特征在于在基體上先沉積純Nb作為過渡層。
【文檔編號】C23C14/16GK104032269SQ201410245844
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月4日 優(yōu)先權日:2014年6月4日
【發(fā)明者】許俊華, 喻利花, 胡紅霞 申請人:江蘇科技大學