一種氮化鉻鈦鈮氮梯度硬質反應膜的制備方法
【專利摘要】一種氮化鉻鈦鈮氮梯度硬質反應膜的制備方法，其制備方法依次包括：1、沉積技術及靶材成分的確定；2、工件的選擇與前處理；3、預轟擊工藝的確定；4、沉積工藝的確定；5、真空加熱處理；6、工件旋轉。本發明降低了鍍膜成本，保證了低摩擦系數、高膜層硬度和高附著力的同時實現，減小膜層的內應力，并具有良好的穩定性和可重復性。
【專利說明】一種氮化鉻鈦鈮氮梯度硬質反應膜的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氮梯度硬質反應膜的制備方法，特別是采用組合靶制備多弧離子鍍氮梯度硬質反應膜的方法，比如氮化鉻鈦鈮氮梯度硬質反應膜(以下使用“CrTiNbN”來代替“氮化鉻鈦鈮”)的制備方法。
【背景技術】
[0002]多弧離子鍍是ー種設有多個可同時蒸發的陰極弧蒸發源的真空物理沉積技術，具有沉積速度快、膜層組織致密、附著力強、均勻性好等顯著特點，該技術適用于硬質膜及硬質反應梯度膜的制備。從膜層發展來看，氮化鈦鋁，氮化鈦鉻，氮化鈦鈮等硬質復合膜由于硬度高、摩擦系數小、耐熱性強等各自特性而比氮化鈦膜更具有開發應用價值，井向更優越性能的多元化、多層化、復合化發展。
[0003]對于單層的以鈦為基的多組元硬質反應膜而言，主要存在以下缺點:1、一般容易出現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、多弧離子鍍硬質反應膜膜層表面容易出現“大顆粒”(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、在膜層中產生較大的內應力，影響硬質膜的使用效果和使用壽命。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種氮化鉻鈦鈮(CrTiNbN)氮梯度硬質反應膜的制備方法，該方法降低了鍍膜成本，保證了低摩擦系數、高膜層硬度和高附著力的同時實現，減小膜層的內應力，并具有良好的穩定性和可重復性。
[0005]本發明的技術方案是:一種氮化鉻鈦鈮(CrTiNbN)氮梯度硬質反應膜的制備方法依次包括:
1、沉積技術及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為CrTiNbN氮梯度硬質反應膜的制備技術，選用兩個不同方位且成90度配置的弧源同時起弧沉積，其中一個弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另ー個弧源為純度99.9%的商用鉻單質靶。
[0006]2、エ件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼作為エ件材料，在放入鍍膜室進行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對エ件進行常規去油、去污處理并進行表面拋光處理，最后分別用丙酮和こ醇進行超聲波清洗，電吹風吹干以備用。
[0007]3、預轟擊エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質反應膜而在沉積之前進行的離子轟擊エ藝，當鍍膜室背底真空達到8.(T 10_3帕、溫度達到200° C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到2.5, IO-1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在5(T55安培，進行離子轟擊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氮梯度硬質反應膜而采用的沉積エ藝，鍍膜過程分為四個階段，第一歩，將鍍膜室內的氬氣壓強保持在2.5,10-1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時間5分鐘；第二歩，向鍍膜室內通入氮氣，使其分壓強達到mo-1帕，然后調整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.5, KT1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為15(T200伏，沉積時間10分鐘；第三步，關閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續增加氮氣流量，使其壓強達到2.5, KT1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為15(T200伏，沉積時間20分鐘；第四歩，使氮氣壓強達到3.(T KT1帕，鉻單質靶弧電流為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，升溫速度保持在:T5° C /分鐘，一小時后可以達到200° C;膜層烘烤是指沉積過程結束后對所沉積的CrTiNbN氮梯度硬質反應膜進行的后加熱烘烤，采用小電流進行微加熱1(T12分鐘，電流逐漸從60安培降低到30安培。
[0010]6、エ件旋轉:在エ件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個過程中一直保持エ件旋轉，轉速為4飛轉/分鐘。
[0011]按照本發明所提出的采用鈦鈮合金靶和鉻單質靶組合靶制備多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質反應膜的方法，可以獲得上述的CrTiNbN氮梯度硬質反應膜，該CrTiNbN氮梯度硬質反應膜的氮含量呈梯度分布，附著力強(3 200N)，硬度高(3 HV3300)，膜層表面“液滴”數量少，摩擦系數低(在球盤式磨損、對磨材料為碳化硅陶瓷球的測試條件下，摩擦系數在
0.15~0.4之間)。
[0012]同現有技術相比，本發明確定了常規通用的多弧離子鍍作為CrTiNbN氮梯度硬質反應膜的制備技術，確定了商用鈦鈮合金靶和鉻單質靶作為電弧源，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；本發明確定了靶材成分、數量及配置方位，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氮梯度硬質反應膜在膜層生長方向`上具有明顯的氮含量梯度分布，保證了膜層表面“液滴”的數量減少、尺寸減小，進而保證了高膜層硬度、高附著力和低摩擦系數的同時實現并具有良好的穩定性和可重復性，更加有利于提高CrTiNbN氮梯度硬質反應膜的耐磨壽命，更適合于在刀具行業的應用。
【具體實施方式】
[0013]實施例1
在商用高速鋼(W18Cr4V)上制備CrTiNbN氮梯度硬質反應膜，其方法是:
1、沉積技術及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為CrTiNbN氮梯度硬質反應膜的制備技術，選用兩個不同方位且成90度配置的弧源同時起弧沉積，其中一個弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另ー個弧源為純度99.9%的商用鉻單質靶。
[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，在放入鍍膜室進行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對エ件進行常規去油、去污處理并進行表面拋光處理，最后分別用丙酮和こ醇進行超聲波清洗，電吹風吹干以備用。[0015]3、預轟擊エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質反應膜而在沉積之前進行的離子轟擊エ藝，當鍍膜室背底真空達到8.(T 10_3帕、溫度達到200° C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到2.5, KT1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在52安培，進行離子轟擊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氮梯度硬質反應膜而采用的沉積エ藝，鍍膜過程分為四個階段，第一歩，將鍍膜室內的氬氣壓強保持在2.5,10-1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時間5分鐘；第二歩，向鍍膜室內通入氮氣，使其分壓強達到mo-1帕，然后調整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.5, KT1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時間10分鐘；第三步，關閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續增加氮氣流量，使其壓強達到2.5, KT1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時間20分鐘；第四歩，使氮氣壓強達到
3.(T KT1帕，鉻單質靶弧電流為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，升溫速度保持在3~5° C /分鐘，一小時后達到200° C ;膜層烘烤是指沉積過程結束后對所沉積的CrTiNbN氮梯度硬質反應膜進行的后加熱烘烤，采用小電流進行微加熱10分鐘，電流逐漸從60安培降低到30安培。
[0018]6、エ件旋轉:在エ件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個過程中一直保持エ件旋轉，轉速為5轉/分鐘。
[0019]對使用上述方法制備的CrTiNbN氮梯度硬質反應膜進行測試，該CrTiNbN氮梯度硬質反應膜的氮含量呈梯度分布，附著力強O200N)，硬度高(HV3380)，摩擦系數低(0.2~0.35)。
[0020]實施例2
在商用高速鋼(W18Cr4V)上制備CrTiNbN氮梯度硬質反應膜，其方法是:
1、沉積技術及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為CrTiNbN氮梯度硬質反應膜的制備技術，選用兩個不同方位且成90度配置的弧源同時起弧沉積，其中一個弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另ー個弧源為純度99.9%的商用鉻單質靶。
[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，在放入鍍膜室進行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對エ件進行常規去油、去污處理并進行表面拋光處理，最后分別用丙酮和こ醇進行超聲波清洗，電吹風吹干以備用。
[0022]3、預轟擊エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質反應膜而在沉積之前進行的離子轟擊エ藝，當鍍膜室背底真空達到8.(T 10_3帕、溫度達到200° C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到2.5, KT1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在54安培，進行離子轟擊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氮梯度硬質反應膜而采用的沉積エ藝，鍍膜過程分為四個階段，第一歩，將鍍膜室內的氬氣壓強保持在2.5,10-1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時間5分鐘；第二步，向鍍膜室內通入氮氣，使其分壓強達到1.0,10-1帕，然后調整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.5, KT1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為150伏，沉積時間10分鐘；第三步，關閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續增加氮氣流量，使其壓強達到2.5, KT1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為150伏，沉積時間20分鐘；第四歩，使氮氣壓強達到
3.(T KT1帕，鉻單質靶弧電流為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，升溫速度保持在3~5° C /分鐘，一小時后達到200° C ;膜層烘烤是指沉積過程結束后對所沉積的CrTiNbN氮梯度硬質反應膜進行的后加熱烘烤，采用小電流進行微加熱10分鐘，電流逐漸從60安培降低到30安培。
[0025]6、エ件旋轉:在エ件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個過程中一直保持エ件旋轉，轉速為5轉/分鐘。
[0026]對使用上述方法制備的CrTiNbN氮梯度硬質反應膜進行測試，該CrTiNbN氮梯度硬質反應膜的氮含量呈梯度分布，附著力強O200N)，硬度高(HV3420)，摩擦系數低(0.15~0.3 )。
【權利要求】
1.一種氮化鉻鈦鈮氮梯度硬質反應膜的制備方法，其特征是:其制備方法依次包括:(I)、沉積技術及靶材成分的確定:確定多弧離子鍍作為CrTiNbN氮梯度硬質反應膜的制備技術，選用兩個不同方位且成90度配置的弧源同時起弧沉積，其中一個弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為T1:Nb=75:25 ;另ー個弧源為純度99.9%的商用鉻單質靶；(2)、エ件的選擇與前處理:選擇商用高速鋼作為エ件材料，在放入鍍膜室進行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對エ件進行常規去油、去污處理并進行表面拋光處理，最后分別用丙酮和こ醇進行超聲波清洗，電吹風吹干以備用；(3)、預轟擊エ藝的確定:指為獲得多弧離子鍍CrTiNbN氮梯度硬質反應膜而在沉積之前進行的離子轟擊エ藝，當鍍膜室背底真空達到8.(T 10_3帕、溫度達到200° C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到2.5, KT1帕，開啟兩弧源，保持弧電流在5(T55安培，進行離子轟擊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氮梯度硬質反應膜而采用的沉積エ藝，鍍膜過程分為四個階段，第一歩，將鍍膜室內的氬氣壓強保持在2.5, IO-1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為200伏，沉積時間5分鐘；第二步，向鍍膜室內通入氮氣，使其分壓強達到mo—1帕，然后調整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.5, KT1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為15(T200伏，沉積時間10分鐘；第三步，關閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續增加氮氣流量，使其壓強達到2.5, KT1帕，鉻單質靶弧電流為50安培，鈦鈮合金靶的弧電流為55安培，エ件偏壓為15(T200伏，沉積時間20分鐘；第四歩，使氮氣壓強達到3.(T KT1帕，鉻單質靶弧電流為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，升溫速度保持在:T5° C /分鐘，一小時后可以達到200° C ;膜層烘烤是指沉積過程結束后對所沉積的CrTiNbN氮梯度硬質反應膜進行的后加熱烘烤，采用小電流進行微加熱1(T12分鐘，電流逐漸從60安培降低到30安培；(6)、エ件旋轉:在エ件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個過程中一直保持エ件旋轉，轉速為4飛轉/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 優先權日:2013年10月28日
【發明者】張鈞, 豐宇, 尹利燕, 張健, 蔡佳婧, 焦悅 申請人:沈陽大學