专利名称：一种V-Si-N纳米复合硬质涂层及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种硬质涂层及其制备领域，尤其涉及一种V-Si-N纳米复合硬质涂层及其制备方法。
背景技术：
运用气相沉积技术，将硬质涂层施加于刀具的表面，刀具如烧结碳化物硬质合金、 高速工具钢、陶瓷等，已被证明可以显著提高刀具的寿命，并能有效改善工件的切削质量， 硬质涂层特别适合施加于合金刀具，用于提高合金刀具的寿命和改善工件的切削质量。这些硬质涂层最典型的代表是钛基二元及多元氮化物，如氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)^i 铝氮(TiAlN)、钛硅氮(TiSiN)、钛铝碳氮(TiAlCN)、钛铝硅氮(TiAlSiN)等。其它的硬质涂层包括但不限于，氧化铝(Al2O3)、氮化铬(CrN)、铝钛氮(AlTiN)、铝铬氮(AlCrN)等。针对具体的应用场合，这些硬质涂层可以以单层、多层、叠层、多相复合等多种方式在刀具上加以使用。通常情况下，沉积上述涂层的刀具在切削过程中与工件之间的摩擦系数比较大 (通常大于0. 5，甚至大于1)。在切削的过程中，过大的摩擦系数会导致切削区温度高、刀具磨损快、工件切削表面质量不高。在切削钛合金、镍合金等难加工合金时，这一缺点更为明显，并且还有较严重的粘刀现象，甚至导致切削困难或加工速度很低。论文“超硬涂层和纳米复合涂层”(作者S. Veprek等，2005年发表在Thin Solid Films期刊，第476卷，第1 四页)公开了一种V1-JixN涂层，用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法制备，Si的含量χ为0 0. 13，该V^SixN涂层的硬度在20 57GPa的范围内。由于PECVD的制备采用SiH4和VCl4为原料，氯原子和氢原子在高温下进入基体材料，容易造成基体晶间腐蚀，使刀具变脆，同时该涂层中的氢原子与沉积涂层的其他原子之间形成弱氢键，使涂层变脆，导致涂层的摩擦系数变大。此外，PECVD采用有毒的气体为原料，增加了环境污染的可能性，存在着技术问题。
发明内容
本发明提供了一种V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法，其可操作性强、可控性好、易于实施。一种V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法，包括以下步骤(1)基体清洗；(2)沉积涂层在真空室中，将Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si 靶和V靶到基体的距离均为5cm 10cm，Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，进行预溅射，再通入N2气，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，在350°C 600°C和0. 3Pa 1. OPa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层；所述的Si靶的功率密度为0. 5 2. 5ff/cm2, V靶的功率密度为2. 5 6. 5ff/cm2,所述的基体的偏压为-30V -70V。步骤(1)中，所述的基体清洗可采用本领域常用的基体清洗方法。为了取得本发明更好的效果，以下作为本发明的优选步骤(1)中，所述的基体清洗包括以下步骤先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂中在60 70°C的温度下超声清洗3 10分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂中在50 60°C 的温度下超声清洗3 10分钟，再在45 55°C的去离子水中超声清洗0. 5 3分钟，最后将清洗后的基体放入95 105°C的真空干燥箱中烘烤3 10分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上；或者，先将基体放入丙酮中在60 70°C的温度下超声清洗3 10分钟，然后放入乙醇中在50 60°C的温度下超声清洗3 10分钟，再在45 55°C的去离子水中超声清洗0. 5 3分钟，最后将清洗后的基体放入95 105°C的真空干燥箱中烘烤3 10分钟， 烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。步骤(1)还包括在基体沉积涂层之前，采用高压队气对基体进行清洗，以清洗掉基体表面有可能附着的气体或微尘颗粒，保持基体足够的清洁度。步骤⑵中，所述的真空室的本底压强小于等于5 X10_5Pa，一般压强越小越好，可以减少溅射过程中溅射粒子与气体分子间的碰撞，同时能够减少沉积过程中气体分子进入涂层中成为杂质，提高本发明V-Si-N纳米复合硬质涂层的致密度、纯度、沉积速率和与衬底的附着力 °所述的 Ar 气的流量为 27 37sccm(standard cubic centimeter per minute, cm7min)，所述的N2气的流量为19 ^sccm，在Ar、N2混合气体中，可以在基体上沉积几乎不含杂质的V-Si-N纳米复合硬质涂层，并且反应溅射得到的VN具有很高的沉积速率。本发明提供了一种V-Si-N纳米复合硬质涂层，在保证较低摩擦系数的同时，能够保证具有较高的硬度。所述的制备方法制备的V-Si-N纳米复合硬质涂层。所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层，成分表示为(VhSix) N,可根据需要通过调整制备过程中的工艺参数得到不同X值的V-Al-N纳米复合硬质涂层，主要是通过控制Al靶的功率密度、V靶的功率密度和沉积纳米复合结构的V-Al-N硬质涂层时的温度来得到不同χ 值的V-Al-N纳米复合硬质涂层，其中，1-x为0. 7 0. 98，χ为0. 02 0. 3。进一步优选， 1-x 为 0. 85 0. 98，χ 为 0. 02 0. 15。本发明的V-Si-N纳米复合硬质涂层中1-x远大于X，有利于减少涂层沉积的时间， 提高生产效率，并且保证了制备的V-Si-N纳米复合硬质涂层具有较高的硬度。进一步优选，所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层包含非晶结构的Si3N4连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相包裹，VN晶体颗粒与非晶结构的Si3N4连续相形成共格界面。更进一步优选，所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层中VN晶体颗粒的尺寸为1 lOnm，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相隔开，相邻的VN晶体颗粒的间距为0. 5 3nm。本发明V-Si-N纳米复合硬质涂层中的VN的含量远大于Si3N4 的含量，厚度为0. 5 3nm的非晶结构的Si3N4连续相包裹在VN晶体颗粒周围，两相间形成共格结构，其最高硬度超过53GPa。进一步优选，本发明V-Si-N纳米复合硬质涂层的厚度为0. 5 μ m 5 μ m。在此厚度下，V-Si-N纳米复合硬质涂层具有较低摩擦系数和较高的硬度，沉积有该厚度涂层的基体能够很好地满足使用要求。V-Si-N纳米复合硬质涂层的厚度可以根据沉积时间调整，一般沉积时间越长，V-Si-N纳米复合硬质涂层的厚度越厚，在本发明的制备方法中，一般沉积 lh，厚度为Ιμπι。所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层可直接沉积在硬质合金、工具钢、陶瓷等基体上作为刀具涂层，单独使用，也可以与其他刀具涂层共同构成耐磨涂层体系。与现有技术相比，本发明具有以下优点本发明V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法，其可操作性强、可控性好，反应溅射得到的VN具有很高的沉积速率，从而使得V-Si-N纳米复合硬质涂层沉积时间缩短，提高了生产效率，易于工业化生产，具有较好的经济效益。本发明制备方法制备的V-Si-N纳米复合硬质涂层，兼具有高硬度和低摩擦系数的性能，可作为工业化生产中航空航天、汽车、医疗器件等高端领域广泛应用的钛合金、镍合金等合金的切削刀具的硬质涂层以及其他耐磨涂层，特别适合作为刀具涂层，沉积有该涂层的刀具加工效率高、加工质量好，具有很大的应用价值。
图1是实施本发明V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法的装置示意图；图2为实施例5制备的V-Si-N纳米复合硬质涂层的高分辨率透视电镜(HRTE) 图；图3为实施例5制备的V-Si-N纳米复合硬质涂层的摩擦系数随温度变化图。
具体实施例方式如图1所示，为实施本发明V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法的装置，包括直流阳极1、与直流阳极1连接的基体2、中频阴极3、直流阴极4、与中频阴极3连接的Si靶 5、与直流阴极4连接的V靶6以及挡板7，采用磁控溅射技术，通过中频阴极3连接的Si靶 5溅射Si，直流阴极4连接的V靶6溅射金属V，并与真空室中的N2气反应生成V-Si-N纳米复合硬质涂层。所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法，包括以下步骤(1)基体2清洗先将基体2放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂中在60 70°C的温度下超声清洗3 10分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂中在50 600C的温度下超声清洗3 10分钟，再在45 55°C的去离子水中超声清洗0. 5 3分钟， 最后将清洗后的基体放入95 105°C的真空干燥箱中烘烤3 10分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上；或者，先将基体2放入丙酮中在60 70°C的温度下超声清洗3 10分钟，然后放入乙醇中在50 60°C的温度下超声清洗3 10分钟，再在45 55°C的去离子水中超声清洗0. 5 3分钟，最后将清洗后的基体2放入95 105°C的真空干燥箱中烘烤3 10 分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上；(2)沉积涂层在真空室中，将Si靶5安装在中频阴极3上，V靴6安装在直流阴极4上，Si革巴5禾口 V革巴6到基体2的距离为5cm 10cm，Si革巴5禾口 V革巴6通过挡板7与基体2隔离，先通入Ar气，进行预溅射，再通入N2气，通过调节Si靶5的功率和V靶6的功率，在350°C 600°C和0. 3Pa 1. OPa条件下，对基体2溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层；所述的Si靶的功率密度为0. 5 2. 5ff/cm2, V靶的功率密度为2. 5 6. 5ff/cm2, 所述的基体的偏压为-30V -70V。步骤O)中，所述的真空室的本底压强小于等于5X10_sPa。步骤O)中，所述的Ar气的流量为27 37sCCm，所述的队气的流量为19 29sccm0本发明实施例中V-Si-N纳米复合硬质涂层的摩擦系数通过摩擦系数测试方法测得，具体如下采用多功能摩擦磨损试验机(CETR牌，型号为UMT-3)分别在各个温度下测试实施例和对比例制得的V-Si-N纳米复合硬质涂层的摩擦性能，对偶材料采用直径4. 0mm、 硬度RC = 62的440-C不锈钢球，载荷1N，频率1Hz，测试时间30min。本发明实施例中V-Si-N纳米复合硬质涂层的硬度测试方法如下采用美国MTS生产的型号为NANO G200纳米压痕仪测量各膜系的硬度与弹性模量，其配置四面体Berkvich 压头，设定压入深度(IOOnm)，载荷随压入深度而改变，每个样品测量6个矩阵点后取平均值。实施例1(1)基体清洗先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为 12. 2)中在65°C的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(PH值为9.2)中在55°C的温度下超声清洗5分钟，再在50°C的去离子水中超声清洗 1分钟，最后将清洗后的基体放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。(2)沉积涂层在真空室中，真空室的本底压强为(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶到基体的距离为9. 2cm, Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为3kccm，进行10分钟的预溅射，再通入 N2气，N2气的流量为Msccm，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度为1. 6W/ cm2, V靶的功率密度为6. 5ff/cm2,基体的偏压为-50V，在500°C和0. 5Pa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，溅射沉积lh，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层，成分表示为 V。.98Sia。2N，厚度为lym。该V-Si-N纳米复合硬质涂层的硬度为32. 5GPa，在700°C下的摩擦系数为0.3。通过高分辨率透视电镜图得到，V-Si-N纳米复合硬质涂层包含非晶结构的Si3N4 连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相包裹，VN晶体颗粒与非晶结构的Si3N4连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1 lOnm，相邻的VN晶体颗粒的间距为0. 5 3nm。实施例2(1)基体清洗先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为 12. 2)中在65°C的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(PH值为9.2)中在55°C的温度下超声清洗5分钟，再在50°C的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。(2)沉积涂层在真空室中，真空室的本底压强为(3. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶到基体的距离为9. 2cm, Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为3kccm，进行10分钟的预溅射，再通入 N2气，N2气的流量为Msccm，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度为1. 6W/ cm2，V靶的功率密度为3. Off/cm2 (请确认3. O是否合理？)，基体的偏压为-50V，在400°C和 0. 5Pa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，溅射沉积lh，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层，成分表示为Va93Siatl7N,厚度为1 μ m。该V-Si-N纳米复合硬质涂层的硬度为35GPa，在700°C下的摩擦系数为0. 39。通过高分辨率透视电镜图得到，V-Si-N纳米复合硬质涂层包含非晶结构的Si3N4 连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相包裹，VN晶体颗粒与非晶结构的Si3N4连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1 lOnm，相邻的VN晶体颗粒的间距为0. 5 3nm。实施例3(1)基体清洗先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为 12. 2)中在65°C的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(PH值为9.2)中在55°C的温度下超声清洗5分钟，再在50°C的去离子水中超声清洗 1分钟，最后将清洗后的基体放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。(2)沉积涂层在真空室中，真空室的本底压强为(2. 5士0. 5) X10_5Pa，将Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶到基体的距离为9. 2cm, Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为3kccm，进行10分钟的预溅射，再通入 N2气，N2气的流量为Msccm，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度为1. 8W/ cm2, V靶的功率密度为6. 5ff/cm2,基体的偏压为-70V，在500°C和0. 5Pa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，溅射沉积lh，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层，成分表示为 Va97Sitl.Q3N，厚度为Ιμπι。该V-Si-N纳米复合硬质涂层的硬度为40.6GPa，在700°C下的摩擦系数为0.31。通过高分辨率透视电镜图得到，V-Si-N纳米复合硬质涂层包含非晶结构的Si3N4 连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相包裹，VN晶体颗粒与非晶结构的Si3N4连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1 lOnm，相邻的VN晶体颗粒的间距为0. 5 3nm。实施例4(1)基体清洗先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为 12. 2)中在65°C的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(PH值为9.2)中在55°C的温度下超声清洗5分钟，再在50°C的去离子水中超声清洗 1分钟，最后将清洗后的基体放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。(2)沉积涂层在真空室中，真空室的本底压强为(1. 5士0. 5) X10_5Pa，将Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶到基体的距离为9. 2cm, Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为3kccm，进行10分钟的预溅射，再通入 N2气，N2气的流量为Msccm，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度为1. 9W/ cm2, V靶的功率密度为6. 5ff/cm2,基体的偏压为-50V，在400°C和0. 5Pa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，溅射沉积lh，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层，成分表示为 Va95Sitl.C15N,厚度为Ιμπι。该V_Si_N纳米复合硬质涂层的硬度为36. 5GPa，在700°C下的摩擦系数为0. 28。通过高分辨率透视电镜图得到，V-Si-N纳米复合硬质涂层包含非晶结构的Si3N4 连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相包裹，VN晶体颗粒与非晶结构的Si3N4连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1 lOnm，相邻的VN晶体颗粒的间距为0. 5 3nm。实施例5(1)基体清洗先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为 12. 2)中在65°C的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(PH值为9.2)中在55°C的温度下超声清洗5分钟，再在50°C的去离子水中超声清洗 1分钟，最后将清洗后的基体放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。(2)沉积涂层在真空室中，真空室的本底压强为(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶到基体的距离为9. 2cm, Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为3kccm，进行10分钟的预溅射，再通入 N2气，N2气的流量为Msccm，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度为2. Iff/ cm2, V靶的功率密度为6. 5ff/cm2,基体的偏压为-50V，在500°C和0. 5Pa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，溅射沉积lh，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层，成分表示为 V。.91Sia。9N，厚度为lym。该V-Si-N纳米复合硬质涂层的硬度为46.6GPa，在700°C下的摩擦系数为0. 3，在500°C下的摩擦系数为0. 45，在23°C下的摩擦系数为0. 5。图2为本发明实施例5制备的V-Si-N纳米复合硬质涂层的电镜扫描照片；如图2 所示，通过高分辨率透视电镜图得到，V-Si-N纳米复合硬质涂层包含非晶结构的Si3N4连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相包裹，VN晶体颗粒与非晶结构的Si3N4连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1 lOnm，相邻的VN晶体颗粒的间距为0. 5 3nm。本实施例5制备的V-Si-N纳米复合硬质涂层的摩擦系数随温度变化如图3所示。实施例6(1)基体清洗先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为 12. 2)中在65°C的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(PH值为9.2)中在55°C的温度下超声清洗5分钟，再在50°C的去离子水中超声清洗 1分钟，最后将清洗后的基体放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。(2)沉积涂层在真空室中，真空室的本底压强为(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶到基体的距离为9. 2cm, Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为3kccm，进行10分钟的预溅射，再通入 N2气，N2气的流量为Msccm，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度为2. 5W/ cm2, V靶的功率密度为6. 5ff/cm2,基体的偏压为-50V，在500°C和0. 5Pa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，溅射沉积lh，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层，成分表示为 Va89SiailN,厚度为1 μ m。该V-Si-N纳米复合硬质涂层的硬度为52GPa，在700°C下的摩擦系数为0. 32。通过高分辨率透视电镜图得到，V-Si-N纳米复合硬质涂层包含非晶结构的Si3N4 连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相包裹，VN晶体颗粒与非晶结构的Si3N4连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1 lOnm，相邻的VN晶体颗粒的间距为0. 5 3nm。实施例7(1)基体清洗先将基体放入Borer公司生产的型号为HT1401的洗涤剂(pH值为 12. 2)中在65°C的温度下超声清洗5分钟，然后放入Borer公司生产的型号为HT1233的洗涤剂(PH值为9.2)中在55°C的温度下超声清洗5分钟，再在50°C的去离子水中超声清洗 1分钟，最后将清洗后的基体放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上。(2)沉积涂层在真空室中，真空室的本底压强为(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶到基体的距离为9. 2cm, Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为3kccm，进行10分钟的预溅射，再通入 N2气，N2气的流量为Msccm，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度为2. 5W/ cm2, V靶的功率密度为5. Off/cm2,基体的偏压为-70V，在400°C和0. 5Pa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，溅射沉积lh，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层，成分表示为 Va88Siai2N,厚度为1 μ m。该V-Si-N纳米复合硬质涂层的硬度为43GPa，在700°C下的摩擦系数为0. 34。通过高分辨率透视电镜图得到，V-Si-N纳米复合硬质涂层包含非晶结构的Si3N4 连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相包裹，VN晶体颗粒与非晶结构的Si3N4连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1 lOnm，相邻的VN晶体颗粒的间距为0. 5 3nm。实施例8(1)基体清洗先将基体放入丙酮中在65°C的温度下超声清洗5分钟，然后放入乙醇中在55°C的温度下超声清洗5分钟，再在50°C的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上；(2)沉积涂层在真空室中，真空室的本底压强为(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶到基体的距离为9. 2cm, Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为3kccm，进行10分钟的预溅射，再通入 N2气，N2气的流量为Msccm，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度为2. Iff/ cm2, V靶的功率密度为4. Off/cm2,基体的偏压为-70V，在500°C和0. 5Pa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，溅射沉积lh，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层，成分表示为Va85Sia15N,厚度为ι μ m。该V-Si-N纳米复合硬质涂层的硬度为53GPa，在700°C下的摩擦系数为0. 39。通过高分辨率透视电镜图得到，V-Si-N纳米复合硬质涂层包含非晶结构的Si3N4 连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相包裹，VN晶体颗粒与非晶结构的Si3N4连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1 lOnm，相邻的VN晶体颗粒的间距为0. 5 3nm。实施例9(1)基体清洗先将基体放入丙酮中在65°C的温度下超声清洗5分钟，然后放入乙醇中在55°C的温度下超声清洗5分钟，再在50°C的去离子水中超声清洗1分钟，最后将清洗后的基体放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分钟，烘干后放入真空室中的可旋转基体架上；(2)沉积涂层在真空室中，真空室的本底压强为(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶到基体的距离为9. 2cm, Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，Ar气的流量为3kccm，进行10分钟的预溅射，再通入 N2气，N2气的流量为Msccm，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度为2. 5W/ cm2, V靶的功率密度为6. 5ff/cm2,基体的偏压为-50V，在500°C和0. 5Pa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，溅射沉积lh，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层，成分表示为 Va89SiailN,厚度为1 μ m。该V-Si-N纳米复合硬质涂层的硬度为50GPa，在700°C下的摩擦系数为0. 36。通过高分辨率透视电镜图得到，V-Si-N纳米复合硬质涂层包含非晶结构的Si3N4 连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相包裹，VN晶体颗粒与非晶结构的Si3N4连续相形成共格界面，VN晶体颗粒的尺寸为1 lOnm，相邻的VN晶体颗粒的间距为0. 5 3nm。
权利要求
1.一种V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法，包括以下步骤(1)基体清洗；(2)沉积涂层在真空室中，将Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶到基体的距离均为5cm 10cm，Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，进行预溅射，再通入N2气，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，在350°C 600°C和0. 3Pa 1. OPa条件下，对基体溅射沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，得到V-Si-N纳米复合硬质涂层；所述的Si靶的功率密度为0. 5 2. 5ff/cm2, V靶的功率密度为2. 5 6. 5ff/cm2,所述的基体的偏压为-30V -70V。
2.根据权利要求1所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤 ⑵中，所述的真空室的本底压强小于等于5X10_5Pa。
3.根据权利要求1所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法，其特征在于，步骤 (2)中，所述的Ar气的流量为27 37sccm，所述的N2气的流量为19 ^sccm。
4.根据权利要求1 3任一项所述的制备方法制备的V-Si-N纳米复合硬质涂层。
5.根据权利要求4所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层，其特征在于，成分表示为 (VhSix)N，其中，1-x 为 0. 7 0. 98，χ 为 0. 02 0. 3。
6.根据权利要求5所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层，其特征在于，成分表示为 (VhSix)N，其中，1-x 为 0. 85 0. 98，χ 为 0. 02 0. 15。
7.根据权利要求4所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层，其特征在于，所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层的厚度为0. 5 μ m 5 μ m。
8.根据权利要求4所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层，其特征在于，所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层包含非晶结构的Si3N4连续相和若干个VN晶体颗粒，各个VN晶体颗粒由非晶结构的Si3N4连续相包裹，VN晶体颗粒与非晶结构的Si3N4连续相形成共格界面。
9.根据权利要求8所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层，其特征在于，所述的V-Si-N纳米复合硬质涂层中VN晶体颗粒的尺寸为1 lOnm，相邻的VN晶体颗粒的间距为0. 5 3nm。
全文摘要
本发明公开了一种V-Si-N纳米复合硬质涂层的制备方法，包括以下步骤基体清洗；沉积涂层将Si靶安装在中频阴极上，V靶安装在直流阴极上，Si靶和V靶通过挡板与基体隔离，先通入Ar气，进行预溅射，再通入N2气，通过调节Si靶的功率和V靶的功率，在350～600℃和0.3～1.0Pa条件下，沉积V-Si-N纳米复合硬质涂层，其可操作性强、可控性好、易于实施。本发明还公开了一种V-Si-N纳米复合硬质涂层，成分表示为(V1-xSix)N，其中，1-x为0.7～0.98，x为0.02～0.3，兼具有高硬度和低摩擦系数的性能，沉积有该涂层的刀具加工效率高、加工质量好，具有很大的应用价值。
文档编号C23C14/34GK102560355SQ201210007178
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月11日 优先权日2012年1月11日
发明者戴丹, 李艳玲, 葛芳芳, 黄峰 申请人:中国科学院宁波材料技术与工程研究所