(TiZr)N硬质膜的沉积工艺研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳大学机械工程学院 作者:刘冬玲

  本文主要研究(TiZr)N硬质膜的沉积工艺波动范围及影响。考察了阴极靶电流、N2气流量等工艺参数对膜层组织和性能的影响。研究表明,沉积工艺参数的波动变化不会对膜层组织、力学性能产生明显影响。(TiZr)N硬质膜的沉积工艺参数可以有较大的波动范围,沉积工艺窗口具有良好的可应用性。

  (TiZr)N硬质膜是一种在硬度、红硬性等性能方面明显优于TiN的硬质反应膜,近年来引起国内外广泛的研究兴趣。这些研究主要集中于Ti\Zr 成分配比、制备方法、组织结构等方面。而关于沉积工艺适应性方面的研究还较少,(TiZr)N硬质膜还没有广泛的实际应用。作为一种硬质膜层,其沉积工艺的适应性或称为沉积工艺窗口,对于在涂层刀具、涂层模具上的应用而言,具有不可忽视的实际意义。因此,本文针对两种具有较大差别成分配比的(TiZr)N 硬质膜进行工艺适应性研究,以期确定(TiZr)N硬质膜沉积工艺的适应性。

  试验材料与试验方法

  采用多弧离子镀技术制备(TiZr)N硬质膜。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%的商用纯钛靶或者纯锆靶;另一个弧源为纯度99.9%的商用钛锆合金靶,钛锆合金靶的原子比为Ti:Zr=50:50。选用打磨后的高速钢块作为基片。在正式沉积(TiZr)N硬质膜之前,进行离子轰击清洗,即,当镀膜室背底真空度达到8.0×10-3 Pa、温度达到200℃时充入氩气,使镀膜室真空度达到2.5×10-1 Pa,开启两弧源,保持弧电流在55~56A,进行离子轰击10~12min,轰击偏压从350V 逐渐增加到400V;轰击清洗之后进行金属过渡层的沉积,即,将镀膜室内的氩气压强保持在2.0×10-1 Pa,钛靶、锆靶、和钛锆合金靶的弧电流均置于55 A~60 A,工件偏压为190 V~200 V,沉积时间5min。然后,进行(TiZr)N 硬质膜的沉积,沉积偏压选定为160±2V。(TiZr)N 硬质膜具体沉积工艺如表1 所示。

表1 沉积工艺参数

(TiZr)N硬质膜的沉积工艺研究

  (TiZr)N 硬质膜层表面形貌、断口形貌以及膜层成分采用HITACHIS-3400N 扫描电镜(能谱)进行分析;膜层相结构采用X 射线衍射仪并结合Jade 6.5 电子PDF 卡片进行确定。表面硬度测试采用HXD-1000TMB/LCD 型液晶屏显示自动转塔显微硬度计,载荷为10gf,载荷保持时间为20s。附着力和摩擦系数采用多功能材料表面性能试验仪(MFT-4000)进行测试。

  结论

  在采用Zr 靶与Ti 靶组合或者Zr 靶与Ti-Zr靶组合沉积(TiZr)N 硬质膜的过程中,阴极弧电流、N2 流量等工艺参数的有限波动不会对(TiZr)N 硬质膜层表面成分、膜层组织、力学性能产生明显影响,所制备的(TiZr)N 硬质膜具有硬度较高、附着力强、摩擦系数低等特点,沉积工艺窗口具有良好的可应用性。

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