一种氮化钛锆铌氮梯度硬质反应膜的制备方法
【专利摘要】一种氮化钛锆铌氮梯度硬质反应膜的制备方法，其制备方法依次包括：1、沉积技术及靶材成分的确定；2、工件的选择与前处理；3、预轰击工艺的确定；4、沉积工艺的确定；5、真空加热处理；6、工件旋转。本发明降低了镀膜成本，保证了低摩擦系数、高膜层硬度和高附着力的同时实现，减小膜层的内应力，并具有良好的稳定性和可重复性。
【专利说明】一种氮化钛锆铌氮梯度硬质反应膜的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氮梯度硬质反应膜的制备方法，特别是采用组合靶制备多弧离子镀氮梯度硬质反应膜的方法，比如氮化钛锆铌氮梯度硬质反应膜(以下使用“TiZrNbN”来代替“氮化钛锆铌”)的制备方法。
【背景技术】
[0002]多弧离子镀是一种设有多个可同时蒸发的阴极弧蒸发源的真空物理沉积技术，具有沉积速度快、膜层组织致密、附着力强、均匀性好等显著特点，该技术适用于硬质膜及硬质反应梯度膜的制备。最初的TiN薄膜，具有较高硬度而被广泛应用。为了进一步改善TiN的综合性能，发展了二元合金氮化物薄膜，比如，氮化钛锆、氮化钛铌、氮化钛铝等钛基硬质反应膜由于硬度高、摩擦系数小、耐热性强等各自特性而比氮化钛膜更具有开发应用前景，同时，硬质膜层正向多元化、多层化、复合化的趋势快速发展。
[0003]对于单层的以钛为基的多组元硬质反应膜而言，主要存在以下缺点:1、一般容易出现膜层硬度与膜层附着力之间的矛盾，即硬度与附着力难以同时满足；2、多组元合金靶市场上不易购买，常常需要专门熔炼、加工，不仅成本较高，而且周期较长；3、多弧离子镀硬质反应膜膜层表面容易出现“大颗粒”(也被称为“液滴”，尺寸在5~10微米)，较多的“大颗粒”影响膜层的摩擦性能；4、在膜层中产生较大的内应力，影响硬质膜的使用效果和使用寿命。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种氮化钛锆铌(TiZrNbN)氮梯度硬质反应膜的制备方法，该方法降低了镀膜成本，保证了低摩擦系数、高膜层硬度和高附着力的同时实现，减小膜层的内应力，并具有良好的稳定性和可重复性。
[0005]本发明的技术方案是:一种氮化钛锆铌(TiZrNbN)氮梯度硬质反应膜的制备方法依次包括:1、沉积技术及靶材成分的确定:确定多弧离子镀作为TiZrNbN氮梯度硬质反应膜的制备技术，选用两个不同方位且成90度配置的弧源同时起弧沉积，其中一个弧源为纯度99.9%的商用钛铌合金靶，钛铌合金靶的原子比为T1:Nb=75:25 ;另一个弧源为纯度99.9%的商用锆单质靶。
[0006]2、工件的选择与前处理:选择商用高速钢作为工件材料，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对工件进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，最后分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干以备用。
[0007]3、预轰击工艺的确定:指为获得多弧离子镀TiZrNbN氮梯度硬质反应膜而在沉积之前进行的离子轰击工艺，当镀膜室背底真空达到8.(T 10_3帕、温度达到200° C时充入氩气，使镀膜室真空度达到2.5' IO-1帕，开启两弧源，保持弧电流在55~56安培，进行离子轰击10-12分钟，轰击偏压从300伏逐渐增加到350伏。[0008]4、沉积工艺的确定:指为获得多弧离子镀TiZrNbN氮梯度硬质反应膜而采用的沉积工艺，镀膜过程分为四个阶段，第一步，将镀膜室内的氩气压强保持在2.5'10—1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55~56安培，工件偏压为200伏，沉积时间5分钟；第二步，向镀膜室内通入氮气，使其分压强达到1.(T ?ο-1帕，然后调整氩气流量，使混合气体总压强保持在2.5' IO-1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55~56安培，工件偏压为150-200伏，沉积时间10分钟；第三步，关闭氩气入口，使氩气流量为0，氩气分压为0，并继续增加氮气流量，使其压强达到2.5' IO-1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55~56安培，工件偏压为150-200伏，沉积时间20分钟；第四步，使氮气压强达到3.(Τ KT1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55~56安培，工件偏压为150-200伏，沉积时间20分钟。
[0009]5、真空加热处理:包括工件加热和膜层烘烤，工件加热方式采用电热体烘烤加热，在镀膜室背底真空达到3.(Τ 10_2帕时开始工件加热，升温速度保持在3~5° C /分钟，一小时后可以达到200° C ;膜层烘烤是指沉积过程结束后对所沉积的TiZrNbN氮梯度硬质反应膜进行后加热烘烤，采用小电流进行微加热10-15分钟，电流逐渐从70安培降低到50安培。
[0010]6、工件旋转:在工件加热、离子轰击、膜层沉积、膜层烘烤的整个过程中一直保持工件旋转，转速为4飞转/分钟。
[0011]按照本发明所提出的采用钛铌合金靶和锆单质靶组合靶制备多弧离子镀TiZrNbN氮梯度硬质反应膜的方法，可以获得上述的TiZrNbN氮梯度硬质反应膜，该TiZrNbN氮梯度硬质反应膜的氮含量呈梯度分布，附着力强(3 200Ν)，硬度高(3HV3300)，膜层表面“液滴”数量少，摩擦系数低(在球盘式磨损、对磨材料为碳化硅陶瓷球的测试条件下，摩擦系数在
0.1~0.3之间)。
[0012]同现有技术相比，本发明确定了常规通用的多弧离子镀作为TiZrNbN氮梯度硬质反应膜的制备技术，确定了商用钛铌合金靶和锆单质靶作为电弧源，避免了专门冶炼、制备钛锆铌合金靶的局限性，降低了镀膜成本；本发明确定了靶材成分、数量及配置方位，确定了商用高速钢作为工件材料，确定了工件前处理工艺和沉积工艺，保证了所制备的TiZrNbN氮梯度硬质反应膜在膜层生长方向上具有明显的氮含量梯度分布，保证了膜层表面“液滴”的数量减少、尺寸减小，进而保证了高膜层硬度、高附着力和低摩擦系数的同时实现并具有良好的稳定性和可重复性，更加有利于提高TiZrNbN氮梯度硬质反应膜的耐磨寿命，更适合于在刀具行业的应用。
【具体实施方式】
[0013]实施例1
在商用高速钢(W18Cr4V)上制备TiZrNbN氮梯度硬质反应膜，其方法是:
1、沉积技术及靶材成分的确定:确定多弧离子镀作为TiZrNbN氮梯度硬质反应膜的制备技术，选用两个不同方位且成90度配置的弧源同时起弧沉积，其中一个弧源为纯度99.9%的商用钛铌合金靶，钛铌合金靶的原子比为T1:Nb=75:25 ;另一个弧源为纯度99.9%的商用锆单质靶。
[0014]2、工件的选择与前处理:选择商用高速钢(W18Cr4V)作为工件材料，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对工件进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，最后分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干以备用。
[0015]3、预轰击工艺的确定:指为获得多弧离子镀TiZrNbN氮梯度硬质反应膜而在沉积之前进行的离子轰击工艺，当镀膜室背底真空达到8.(T 10_3帕、温度达到200° C时充入氩气，使镀膜室真空度达到2.5' KT1帕，开启两弧源，保持弧电流在55安培，进行离子轰击12分钟，轰击偏压从300伏逐渐增加到350伏。
[0016]4、沉积工艺的确定:指为获得多弧离子镀TiZrNbN氮梯度硬质反应膜而采用的沉积工艺，镀膜过程分为四个阶段，第一步，将镀膜室内的氩气压强保持在2.5'10—1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于56安培，工件偏压为200伏，沉积时间5分钟；第二步，向镀膜室内通入氮气，使其分压强达到1.(T ?ο-1帕，然后调整氩气流量，使混合气体总压强保持在2.5' KT1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于56安培，工件偏压为200伏，沉积时间10分钟；第三步，关闭氩气入口，使氩气流量为0，氩气分压为0，并继续增加氮气流量，使其压强达到2.5' IO-1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于56安培，工件偏压为200伏，沉积时间20分钟；第四步，使氮气压强达到3.(T IO-1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于56安培，工件偏压为200伏，沉积时间20分钟。
[0017]5、真空加热处理:包括工件加热和膜层烘烤，工件加热方式采用电热体烘烤加热，在镀膜室背底真空达到3.(T 10_2帕时开始工件加热，升温速度保持在3~5° C /分钟，一小时后达到200° C ;膜层烘烤是指沉积过程结束后对所沉积的TiZrNbN氮梯度硬质反应膜进行后加热烘烤，采用小电流进行微加热15分钟，电流逐渐从70安培降低到50安培。
[0018]6、工件旋转:在工件加热、离子轰击、膜层沉积、膜层烘烤的整个过程中一直保持工件旋转，转速为4.5转/分钟。
[0019]对使用上述方法制备的TiZrNbN氮梯度硬质反应膜进行测试，该TiZrNbN氮梯度硬质反应膜的氮含量呈梯度分布，`附着力达到200N，硬度达到HV3350，摩擦系数在0.15~0.3之间。
[0020]实施例2
在商用高速钢(W18Cr4V)上制备TiZrNbN氮梯度硬质反应膜，其方法是:
1、沉积技术及靶材成分的确定:确定多弧离子镀作为TiZrNbN氮梯度硬质反应膜的制备技术，选用两个不同方位且成90度配置的弧源同时起弧沉积，其中一个弧源为纯度99.9%的商用钛铌合金靶，钛铌合金靶的原子比为T1:Nb=75:25 ;另一个弧源为纯度99.9%的商用锆单质靶。
[0021]2、工件的选择与前处理:选择商用高速钢(W18Cr4V)作为工件材料，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对工件进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，最后分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干以备用。
[0022]3、预轰击工艺的确定:指为获得多弧离子镀TiZrNbN氮梯度硬质反应膜而在沉积之前进行的离子轰击工艺，当镀膜室背底真空达到8.(T 10_3帕、温度达到200° C时充入氩气，使镀膜室真空度达到2.5' KT1帕，开启两弧源，保持弧电流在56安培，进行离子轰击10分钟，轰击偏压从300伏逐渐增加到350伏。
[0023]4、沉积工艺的确定:指为获得多弧离子镀TiZrNbN氮梯度硬质反应膜而采用的沉积工艺，镀膜过程分为四个阶段，第一步，将镀膜室内的氩气压强保持在2.5'10—1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55安培，工件偏压为200伏，沉积时间5分钟；第二步，向镀膜室内通入氮气，使其分压强达到1.(T ?ο-1帕，然后调整氩气流量，使混合气体总压强保持在2.5' KT1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55安培，工件偏压为150伏，沉积时间10分钟；第三步，关闭氩气入口，使氩气流量为0，氩气分压为0，并继续增加氮气流量，使其压强达到2.5' IO-1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55安培，工件偏压为150伏，沉积时间20分钟；第四步，使氮气压强达到3.(T IO-1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55安培，工件偏压为150伏，沉积时间20分钟。
[0024]5、真空加热处理:包括工件加热和膜层烘烤，工件加热方式采用电热体烘烤加热，在镀膜室背底真空达到3.(T 10_2帕时开始工件加热，升温速度保持在3~5° C /分钟，一小时后达到200° C ;膜层烘烤是指沉积过程结束后对所沉积的TiZrNbN氮梯度硬质反应膜进行后加热烘烤，采用小电流进行微加热10分钟，电流逐渐从70安培降低到50安培。
[0025]6、工件旋转:在工件加热、离子轰击、膜层沉积、膜层烘烤的整个过程中一直保持工件旋转，转速为5.5转/分钟。
[0026]对使用上述方法制备 的TiZrNbN氮梯度硬质反应膜进行测试，该TiZrNbN氮梯度硬质反应膜的氮含量呈梯度分布，附着力达到200N以上，硬度达到HV3400，摩擦系数在0.1~0.25之间。
【权利要求】
1.一种氮化钛锆铌氮梯度硬质反应膜的制备方法，其特征是:其制备方法依次包括:(I)、沉积技术及靶材成分的确定:确定多弧离子镀作为TiZrNbN氮梯度硬质反应膜的制备技术，选用两个不同方位且成90度配置的弧源同时起弧沉积，其中一个弧源为纯度99.9%的商用钛铌合金靶，钛铌合金靶的原子比为T1:Nb=75:25 ;另一个弧源为纯度99.9%的商用锆单质靶；(2)、工件的选择与前处理:选择商用高速钢作为工件材料，在放入镀膜室进行镀膜前，使用金属洗涤剂对工件进行常规去油、去污处理并进行表面抛光处理，最后分别用丙酮和乙醇进行超声波清洗，电吹风吹干以备用；(3)、预轰击工艺的确定:指为获得多弧离子镀TiZrNbN氮梯度硬质反应膜而在沉积之前进行的离子轰击工艺，当镀膜室背底真空达到8.(T 10_3帕、温度达到200。C时充入氩气，使镀膜室真空度达到2.5' 10-1帕，开启两弧源，保持弧电流在55~56安培，进行离子轰击10-12分钟，轰击偏压从300伏逐渐增加到350伏；(4)、沉积工艺的确定:指为获得多弧离子镀TiZrNbN氮梯度硬质反应膜而采用的沉积工艺，镀膜过程分为四个阶段，第一步，将镀膜室内的氩气压强保持在2.5' IO-1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55~56安培，工件偏压为200伏，沉积时间5分钟；第二步，向镀膜室内通入氮气，使其分压强达到1.(Τ ?ο-1帕，然后调整氩气流量，使混合气体 总压强保持在2.5' IO-1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55~56安培，工件偏压为150-200伏，沉积时间10分钟；第三步，关闭氩气入口，使氩气流量为0，氩气分压为0，并继续增加氮气流量，使其压强达到2.5' IO-1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55~56安培，工件偏压为150-200伏，沉积时间20分钟；第四步，使氮气压强达到3.(Τ KT1帕，锆单质靶和钛铌合金靶的弧电流均置于55~56安培，工件偏压为150-200伏，沉积时间20分钟；(5)、真空加热处理:包括工件加热和膜层烘烤，工件加热方式采用电热体烘烤加热，在镀膜室背底真空达到3.0-ΙΟ—2帕时开始工件加热，升温速度保持在:T5° C /分钟，一小时后可以达到200° C ;膜层烘烤是指沉积过程结束后对所沉积的TiZrNbN氮梯度硬质反应膜进行后加热烘烤，采用小电流进行微加热10-15分钟，电流逐渐从70安培降低到50安培；(6)、工件旋转:在工件加热、离子轰击、膜层沉积、膜层烘烤的整个过程中一直保持工件旋转，转速为4飞转/分钟。
【文档编号】C23C14/06GK103556119SQ201310514050
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年10月28日 优先权日:2013年10月28日
【发明者】张钧, 丰宇, 尹利燕, 张健, 焦悦, 蔡佳婧 申请人:沈阳大学