一種氮化鉻鈦鈮氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法
【專利摘要】一種氮化鉻鈦鈮氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法，其制備方法依次包括：1、沉積技術(shù)及靶材成分的確定；2、工件的選擇與前處理；3、預(yù)轟擊工藝的確定；4、沉積工藝的確定；5、真空加熱處理；6、工件旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明降低了鍍膜成本，保證了低摩擦系數(shù)、高膜層硬度和高附著力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，減小膜層的內(nèi)應(yīng)力，并具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
【專利說明】一種氮化鉻鈦鈮氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法，特別是采用組合靶制備多弧離子鍍氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的方法，比如氮化鉻鈦鈮氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜(以下使用“CrTiNbN”來代替“氮化鉻鈦鈮”)的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多弧離子鍍是ー種設(shè)有多個(gè)可同時(shí)蒸發(fā)的陰極弧蒸發(fā)源的真空物理沉積技術(shù)，具有沉積速度快、膜層組織致密、附著力強(qiáng)、均勻性好等顯著特點(diǎn)，該技術(shù)適用于硬質(zhì)膜及硬質(zhì)反應(yīng)梯度膜的制備。從膜層發(fā)展來看，氮化鈦鋁，氮化鈦鉻，氮化鈦鈮等硬質(zhì)復(fù)合膜由于硬度高、摩擦系數(shù)小、耐熱性強(qiáng)等各自特性而比氮化鈦膜更具有開發(fā)應(yīng)用價(jià)值，井向更優(yōu)越性能的多元化、多層化、復(fù)合化發(fā)展。
[0003]對于單層的以鈦為基的多組元硬質(zhì)反應(yīng)膜而言，主要存在以下缺點(diǎn):1、一般容易出現(xiàn)膜層硬度與膜層附著力之間的矛盾，即硬度與附著力難以同時(shí)滿足；2、多組元合金靶市場上不易購買，常常需要專門熔煉、加工，不僅成本較高，而且周期較長；3、多弧離子鍍硬質(zhì)反應(yīng)膜膜層表面容易出現(xiàn)“大顆?！?也被稱為“液滴”，尺寸在5~10微米)，較多的“大顆粒”影響膜層的摩擦性能；4、在膜層中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，影響硬質(zhì)膜的使用效果和使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種氮化鉻鈦鈮(CrTiNbN)氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法，該方法降低了鍍膜成本，保證了低摩擦系數(shù)、高膜層硬度和高附著力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，減小膜層的內(nèi)應(yīng)力，并具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種氮化鉻鈦鈮(CrTiNbN)氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法依次包括:
1、沉積技術(shù)及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備技術(shù)，選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積，其中一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另ー個(gè)弧源為純度99.9%的商用鉻單質(zhì)靶。
[0006]2、エ件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼作為エ件材料，在放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對エ件進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和こ醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用。
[0007]3、預(yù)轟擊エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而在沉積之前進(jìn)行的離子轟擊エ藝，當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到8.(T 10_3帕、溫度達(dá)到200° C時(shí)充入氬氣，使鍍膜室真空度達(dá)到2.5, IO-1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在5(T55安培，進(jìn)行離子轟擊1(T12分鐘，轟擊偏壓從300伏逐漸增加到350伏。
[0008]4、沉積エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而采用的沉積エ藝，鍍膜過程分為四個(gè)階段，第一歩，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強(qiáng)保持在2.5,10-1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時(shí)間5分鐘；第二歩，向鍍膜室內(nèi)通入氮?dú)猓蛊浞謮簭?qiáng)達(dá)到mo-1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強(qiáng)保持在2.5, KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為15(T200伏，沉積時(shí)間10分鐘；第三步，關(guān)閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續(xù)增加氮?dú)饬髁?，使其壓?qiáng)達(dá)到2.5, KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為15(T200伏，沉積時(shí)間20分鐘；第四歩，使氮?dú)鈮簭?qiáng)達(dá)到3.(T KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為150~200伏，沉積時(shí)間20分鐘。
[0009]5、真空加熱處理:包括エ件加熱和膜層烘烤，エ件加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在エ件加熱時(shí)，升溫速度保持在:T5° C /分鐘，一小時(shí)后可以達(dá)到200° C;膜層烘烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行的后加熱烘烤，采用小電流進(jìn)行微加熱1(T12分鐘，電流逐漸從60安培降低到30安培。
[0010]6、エ件旋轉(zhuǎn):在エ件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個(gè)過程中一直保持エ件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4飛轉(zhuǎn)/分鐘。
[0011]按照本發(fā)明所提出的采用鈦鈮合金靶和鉻單質(zhì)靶組合靶制備多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的方法，可以獲得上述的CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜，該CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的氮含量呈梯度分布，附著力強(qiáng)(3 200N)，硬度高(3 HV3300)，膜層表面“液滴”數(shù)量少，摩擦系數(shù)低(在球盤式磨損、對磨材料為碳化硅陶瓷球的測試條件下，摩擦系數(shù)在
0.15~0.4之間)。
[0012]同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明確定了常規(guī)通用的多弧離子鍍作為CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備技術(shù)，確定了商用鈦鈮合金靶和鉻單質(zhì)靶作為電弧源，避免了專門冶煉、制備鉻鈦鈮合金靶的局限性，降低了鍍膜成本；本發(fā)明確定了靶材成分、數(shù)量及配置方位，確定了商用高速鋼作為エ件材料，確定了エ件前處理工藝和沉積エ藝，保證了所制備的CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜在膜層生長方向`上具有明顯的氮含量梯度分布，保證了膜層表面“液滴”的數(shù)量減少、尺寸減小，進(jìn)而保證了高膜層硬度、高附著力和低摩擦系數(shù)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)并具有良好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，更加有利于提高CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的耐磨壽命，更適合于在刀具行業(yè)的應(yīng)用。
【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例1
在商用高速鋼(W18Cr4V)上制備CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜，其方法是:
1、沉積技術(shù)及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備技術(shù)，選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積，其中一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另ー個(gè)弧源為純度99.9%的商用鉻單質(zhì)靶。
[0014]2、エ件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼(W18Cr4V)作為エ件材料，在放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對エ件進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和こ醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用。[0015]3、預(yù)轟擊エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而在沉積之前進(jìn)行的離子轟擊エ藝，當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到8.(T 10_3帕、溫度達(dá)到200° C時(shí)充入氬氣，使鍍膜室真空度達(dá)到2.5, KT1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在52安培，進(jìn)行離子轟擊10分鐘，轟擊偏壓從300伏逐漸增加到350伏。
[0016]4、沉積エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而采用的沉積エ藝，鍍膜過程分為四個(gè)階段，第一歩，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強(qiáng)保持在2.5,10-1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時(shí)間5分鐘；第二歩，向鍍膜室內(nèi)通入氮?dú)?，使其分壓?qiáng)達(dá)到mo-1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強(qiáng)保持在2.5, KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時(shí)間10分鐘；第三步，關(guān)閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續(xù)增加氮?dú)饬髁浚蛊鋲簭?qiáng)達(dá)到2.5, KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時(shí)間20分鐘；第四歩，使氮?dú)鈮簭?qiáng)達(dá)到
3.(T KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時(shí)間20分鐘。
[0017]5、真空加熱處理:包括エ件加熱和膜層烘烤，エ件加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在エ件加熱時(shí)，升溫速度保持在3~5° C /分鐘，一小時(shí)后達(dá)到200° C ;膜層烘烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行的后加熱烘烤，采用小電流進(jìn)行微加熱10分鐘，電流逐漸從60安培降低到30安培。
[0018]6、エ件旋轉(zhuǎn):在エ件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個(gè)過程中一直保持エ件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為5轉(zhuǎn)/分鐘。
[0019]對使用上述方法制備的CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行測試，該CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的氮含量呈梯度分布，附著力強(qiáng)O200N)，硬度高(HV3380)，摩擦系數(shù)低(0.2~0.35)。
[0020]實(shí)施例2
在商用高速鋼(W18Cr4V)上制備CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜，其方法是:
1、沉積技術(shù)及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備技術(shù)，選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積，其中一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另ー個(gè)弧源為純度99.9%的商用鉻單質(zhì)靶。
[0021]2、エ件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼(W18Cr4V)作為エ件材料，在放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對エ件進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和こ醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用。
[0022]3、預(yù)轟擊エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而在沉積之前進(jìn)行的離子轟擊エ藝，當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到8.(T 10_3帕、溫度達(dá)到200° C時(shí)充入氬氣，使鍍膜室真空度達(dá)到2.5, KT1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在54安培，進(jìn)行離子轟擊12分鐘，轟擊偏壓從300伏逐漸增加到350伏。
[0023]4、沉積エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而采用的沉積エ藝，鍍膜過程分為四個(gè)階段，第一歩，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強(qiáng)保持在2.5,10-1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時(shí)間5分鐘；第二步，向鍍膜室內(nèi)通入氮?dú)?，使其分壓?qiáng)達(dá)到1.0,10-1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強(qiáng)保持在2.5, KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為150伏，沉積時(shí)間10分鐘；第三步，關(guān)閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續(xù)增加氮?dú)饬髁?，使其壓?qiáng)達(dá)到2.5, KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為150伏，沉積時(shí)間20分鐘；第四歩，使氮?dú)鈮簭?qiáng)達(dá)到
3.(T KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為150伏，沉積時(shí)間20分鐘。
[0024]5、真空加熱處理:包括エ件加熱和膜層烘烤，エ件加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在エ件加熱時(shí)，升溫速度保持在3~5° C /分鐘，一小時(shí)后達(dá)到200° C ;膜層烘烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行的后加熱烘烤，采用小電流進(jìn)行微加熱10分鐘，電流逐漸從60安培降低到30安培。
[0025]6、エ件旋轉(zhuǎn):在エ件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個(gè)過程中一直保持エ件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為5轉(zhuǎn)/分鐘。
[0026]對使用上述方法制備的CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行測試，該CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的氮含量呈梯度分布，附著力強(qiáng)O200N)，硬度高(HV3420)，摩擦系數(shù)低(0.15~0.3 )。
【權(quán)利要求】
1.一種氮化鉻鈦鈮氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備方法，其特征是:其制備方法依次包括:(I)、沉積技術(shù)及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜的制備技術(shù)，選用兩個(gè)不同方位且成90度配置的弧源同時(shí)起弧沉積，其中一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另ー個(gè)弧源為純度99.9%的商用鉻單質(zhì)靶；(2)、エ件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼作為エ件材料，在放入鍍膜室進(jìn)行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對エ件進(jìn)行常規(guī)去油、去污處理并進(jìn)行表面拋光處理，最后分別用丙酮和こ醇進(jìn)行超聲波清洗，電吹風(fēng)吹干以備用；(3)、預(yù)轟擊エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而在沉積之前進(jìn)行的離子轟擊エ藝，當(dāng)鍍膜室背底真空達(dá)到8.(T 10_3帕、溫度達(dá)到200° C時(shí)充入氬氣，使鍍膜室真空度達(dá)到2.5, KT1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在5(T55安培，進(jìn)行離子轟擊1(T12分鐘，轟擊偏壓從300伏逐漸增加到350伏；(4)、沉積エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜而采用的沉積エ藝，鍍膜過程分為四個(gè)階段，第一歩，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強(qiáng)保持在2.5, IO-1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時(shí)間5分鐘；第二步，向鍍膜室內(nèi)通入氮?dú)?，使其分壓?qiáng)達(dá)到mo—1帕，然后調(diào)整氬氣流量，使混合氣體總壓強(qiáng)保持在2.5, KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為15(T200伏，沉積時(shí)間10分鐘；第三步，關(guān)閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續(xù)增加氮?dú)饬髁?，使其壓?qiáng)達(dá)到2.5, KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為15(T200伏，沉積時(shí)間20分鐘；第四歩，使氮?dú)鈮簭?qiáng)達(dá)到3.(T KT1帕，鉻單質(zhì)靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為15(T200伏，沉積時(shí)間20分鐘；(5)、真空加熱處理:包括エ件加熱和膜層烘烤，エ件加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在エ件加熱時(shí)，升溫速度保持在:T5° C /分鐘，一小時(shí)后可以達(dá)到200° C ;膜層烘烤是指沉積過程結(jié)束后對所沉積的CrTiNbN氮梯度硬質(zhì)反應(yīng)膜進(jìn)行的后加熱烘烤，采用小電流進(jìn)行微加熱1(T12分鐘，電流逐漸從60安培降低到30安培；(6)、エ件旋轉(zhuǎn):在エ件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個(gè)過程中一直保持エ件旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為4飛轉(zhuǎn)/分鐘。
【文檔編號】C23C14/06GK103572219SQ201310515560
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】張鈞, 豐宇, 尹利燕, 張健, 蔡佳婧, 焦悅 申請人:沈陽大學(xué)