TiWCN 硬質(zhì)薄膜及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種TiWCN硬質(zhì)薄膜及制備方法，其特征在于該薄膜是采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上的，薄膜分子式表示為Ti(W，C，N)，厚度在1-3μm。沉積時，真空度優(yōu)于3.0×10-5Pa時，以氬氣起弧，氮氣為反應(yīng)氣體進(jìn)行沉積，濺射氣壓0.3Pa，氬氮流量比10:(1-3)。Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率為80-100W，C靶濺射功率為0-120W。所得硬質(zhì)涂層綜合具備了高硬度，高耐磨性的優(yōu)良特點。
【專利說明】TiWCN硬質(zhì)薄膜及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種涂層及其制備方法，特別是一種TiWCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜及制 備方法，屬于陶瓷涂層【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，特別是高速、干式切削等加工方式的出現(xiàn)，要求應(yīng)用 于刀具的涂層具有更高的硬度，并兼具優(yōu)良的摩擦磨損性能。然而，現(xiàn)有的刀具涂層雖然 具有較高硬度，但它們的摩擦磨損性能都不理想，無法滿足要求。金屬基碳氮多元復(fù)合膜 (M1M2CN)較二元或三元薄膜具有較高的硬度和優(yōu)異的摩擦磨損性能,制備四元或四元以上 的涂層材料已成為目前研究的熱點。目前，市場上還沒有發(fā)現(xiàn)TiWCN薄膜被用作刀具涂層 材料。因此，與當(dāng)代加工制造業(yè)所要求的理想高硬度耐磨損涂層相比，此種硬質(zhì)涂層具有很 好的研究價值。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有TiN系硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜及多層膜摩擦磨損性能不理想等缺點， 本發(fā)明的目的在于提供一種TiWCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，兼具高硬度和優(yōu)異的摩擦磨損性 能，可作為高速、干式切削的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)薄膜。
[0004] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種TiWCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，具有 較高生產(chǎn)效率。
[0005] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0006] -種TiWCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，是采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法沉積在硬質(zhì)合金 或陶瓷基體上的，薄膜分子式表示為Ti (W，C，N)(根據(jù)組份命名），厚度在1-3 μ m。
[0007] -種TiWCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于，利用雙靶共焦射頻反應(yīng) 濺射法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上沉積得到；
[0008] Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率為80-100W，C靶濺射功率為0-120W。 [0009] 沉積時，真空度優(yōu)于3. OX l(T5Pa，以氬氣起弧，氮氣為反應(yīng)氣體，濺射氣壓0. 3Pa， 氦氮流量比10: (1_3);
[0010] 在基體上預(yù)先沉積純Ti作為過渡層。
[0011] Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率80-100W，C靶濺射功率為0-120W ;
[0012] 較佳地：Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，C靶濺射功率0-120W ;
[0013] 再佳地：Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，C靶濺射功率30-120W ;
[0014] 更佳地：Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，C靶濺射功率60-120W ;
[0015] 最佳地：Ti靶濺射功率250W，W靶濺射功率90W，C靶濺射功率90W，此時，薄膜硬 度高達(dá)35. 97GPa，干切削實驗下，磨損率為1. 26X l〇-8mm3 · Pnim、
[0016] 本發(fā)明的TiWCN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜是采用高純Ti靶、W靶和C靶共焦射頻反應(yīng)濺 射，沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上制備得到的，薄膜厚度在1-3 μ m，濺射反應(yīng)過程中，C靶 功率在0-120W之間，當(dāng)C靶功率為90W時，薄膜的硬度高達(dá)35. 97GPa，干切削實驗下，磨損 率為1. 26Xl(T8mm3 · N^irn S這種硬質(zhì)涂層綜合具備了高硬度，高耐磨性的優(yōu)良特點。

【專利附圖】

【附圖說明】：
[0017] 圖1為本發(fā)明實施例所得不同C靶功率的TiWCN薄膜拉曼光譜。由圖可知，當(dāng)C 靶功率增至90W時，在1390CHT1處出現(xiàn)了微弱的D峰，在1580CHT1處出現(xiàn)的G峰比較明顯； 當(dāng)C靶功率為120W時，D峰和G峰強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，這兩個峰的出現(xiàn)表明了薄膜中存在非晶 石墨相。
[0018] 圖2為本發(fā)明實施例所得TiWCN薄膜硬度（GPa)、殘余應(yīng)力（GPa)與C靶功率 的變化關(guān)系；隨C靶功率的增加，薄膜硬度顯著升高，當(dāng)C靶功率為90W時，薄膜硬度高達(dá) 35. 97GPa，C靶功率超過90W時，隨著C靶功率提高，薄膜硬度急劇降低。
[0019] 圖3為本發(fā)明實施例所得TiWCN薄膜室溫干切削實驗下平均摩擦系數(shù)及磨損率與 C靶功率的變化關(guān)系；由圖可見，隨著C靶功率的增加，TiWCN薄膜的摩擦系數(shù)逐漸減小，而 磨損率先減小后增大，當(dāng)C靶功率為90W時，磨損率獲得最小值，為1. 26X l(T8mm3 · f imm、
[0020] 圖4為本發(fā)明實施例所得TiWN薄膜和TiWCN薄膜（C靶功率為120W)干切削實驗 下平均摩擦系數(shù)及磨損率與溫度變化關(guān)系。由圖可見，隨著溫度的升高，TiWN薄膜和TiWCN 薄膜的摩擦系數(shù)先增大后減小，而磨損率一直增大；當(dāng)溫度升至700°C時，TiWCN薄膜的摩 擦系數(shù)和磨損率分別為〇. 501和5. 56X l(Tmm3 · N^mm、當(dāng)溫度低于380°C左右時，TiWCN 薄膜的摩擦系數(shù)和磨損率均小于TiWN薄膜；當(dāng)溫度超過380°C左右時，TiWCN薄膜的摩擦系 數(shù)和磨損率均高于TiWN薄膜。
[0021] 具體實施方法
[0022] 本發(fā)明是通過在高速鋼等硬質(zhì)合金或陶瓷的基體上采用，。
[0023] 具體技術(shù)方案內(nèi)容如下：
[0024] 在JGP-450高真空多靶磁控濺射設(shè)備上進(jìn)行雙靶共焦射頻反應(yīng)沉積生成TiWCN硬 質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜。該磁控濺射儀有三個濺射靶，純Ti靶（99. 99% )、純W靶（99. 9% )和 C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，濺射時間為2h，薄膜厚度為1-3 μ m。純Ti靶、純W靶分別安裝在獨立的射頻陰極上，C 靶（99. 99% )裝在直流陰極上，靶材直徑為75mm。
[0025] 將基體（襯底）表面作鏡面拋光處理，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(zhuǎn)的基片架上，靶材 到基片的距離約為11cm。
[0026] 向真空室內(nèi)充入純度均為99. 999%的Ar、Njg合氣體。沉積TiWCN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(jìn)行濺射lOmin，以去除靶材表面的雜質(zhì)，避 免雜質(zhì)帶入薄膜中。在基體上沉積l〇〇nm的純Ti作為過渡層，以增強(qiáng)膜基結(jié)合力。其中，選 用襯底為單晶Si片（100)對薄膜的成分、相結(jié)構(gòu)和硬度進(jìn)行研究；選用襯底為不銹鋼的復(fù) 合膜進(jìn)行摩擦磨損性能的研究。真空室本底真空優(yōu)于3. Ο X l(T5Pa后，通入純度為99. 999 % 的氬氣起弧。工作氣壓保持在〇. 3Pa，同時Ar、N2流量比保持10:2。
[0027] 固定Ti靶功率為250W，W靶濺射功率為90W，制備一系列不同C靶功率（0-120W) 的TiWCN薄膜。
[0028] 以下實施例1-5考察了固定Ti靶、W靶的前提下，不同的C靶功率對薄膜硬度、 干切削實驗下摩擦系數(shù)和磨損率的影響，見表1。
[0029] 表 1
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 一種TiWCN硬質(zhì)薄膜，其特征是采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法沉積在硬質(zhì)合金或 陶瓷基體上的，薄膜分子式表示為Ti(W，C，N)，厚度在1-3μπι，當(dāng)Ti靶濺射功率250W， W靶濺射功率90W，C靶濺射功率90W時，膜硬度高達(dá)35. 97GPa，干切削實驗下，磨損率為 1. 26 X 10 8mm3 · N imm L
2. -種如權(quán)利要求1所述的TiWCN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于，利用雙靶共焦射 頻反應(yīng)濺射法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上沉積得到；Ti靶濺射功率230-280W，W靶濺射功率 為80-100W，C靶濺射功率為0-120W ;沉積時，真空度優(yōu)于3. 0 X 10_5Pa，以氬氣起弧，氮氣為 反應(yīng)氣體，濺射氣壓0. 3Pa，氬氮流量比10: (1-3)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWCN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于在基體上預(yù)先沉積 純Ti作為過渡層。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWCN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Ti靶濺射功率 250W，W靶濺射功率90W，C靶濺射功率0-120W。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWCN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Ti靶濺射功率 250W，W靶濺射功率90W，C靶濺射功率30-120W。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWCN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Ti靶濺射功率 250W，W靶濺射功率90W，C靶濺射功率60-120W。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的TiWCN硬質(zhì)薄膜的制備方法，其特征在于Ti靶濺射功率 250W，W靶濺射功率90W，C靶濺射功率90W，此時，薄膜硬度高達(dá)35. 97GPa，干切削實驗下， 磨損率為 1. 26 X 10 8mm3 · N imm、
【文檔編號】C23C14/34GK104109831SQ201410263490
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】喻利花, 許俊華, 董鴻志 申請人:江蘇科技大學(xué)