弧源电流对TiN薄膜摩擦系数的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)佛山市震德塑料机械有限公司 作者:史新伟

  降低薄膜的摩擦系数将有助于提高其耐磨性,从而可以延长工件的使用寿命。从以上结果及分析看,弧源电流对薄膜的表面质量影响较大,因而对其摩擦系数也有重要影响。

  图7 是薄膜的摩擦学特性曲线及弧源电流与摩擦系数的关系图。由图可见,随弧源电流的增大,薄膜的摩擦系数逐渐增大。大电流下,弧源靶温度较高,产生的宏观粒子和粒子团较多,而且这些粒子或粒子团携带较高的能量,从弧源靶到衬底(样品)的迁移过程中不易被其它的粒子阻挡,同时到达衬底(样品)表面时的温度也较高,在表面上的扩散快,因而薄膜的沉积速率较快,这些大颗粒的存在导致了最后镀覆的薄膜表面比较粗造,颗粒较多且大。所以在相同的条件下,大电流镀覆的TiN 薄膜的摩擦系数要大于小电流镀覆的薄膜的摩擦系数。

不同弧源电流镀制的薄膜及抛光高速钢的摩擦特性曲线

a)I=40A;b)I=70A;c)I=80A;d)I=90A;e)抛光过的不锈钢衬底;f)弧源电流与薄膜摩擦系数的关系

图7 不同弧源电流镀制的薄膜及抛光高速钢的摩擦特性曲线

  从薄膜的摩擦学特性曲线上可以看出,弧源电流为40 A 时镀制的TiN 薄膜的摩擦力较低,但弧源电流增大时,由于熔滴数量增多,薄膜表面质量下降,摩擦力增大。开始由于震动,所以有的曲线波动较大,随时间延长,摩擦曲线逐渐趋于稳定。

  对比弧源电流40 A 镀制的薄膜的摩擦力曲线与抛光高速钢的摩擦力曲线, 可以看出,其摩擦力小于抛光高速钢的摩擦力,小电流下镀制的TiN 薄膜表面的熔滴颗粒小而少,粗糙度低;随电流增大,镀覆的TiN 薄膜的摩擦力都相应增高,说明大电流镀覆的薄膜表面质量下降。另外这些曲线还可以反映出,从刚开始的不稳定区过渡到稳定区的曲线变化趋势存在差异,I=40 A 时,过渡区十分短暂,抛光高速钢的过渡区曲线较平坦光滑,而随电流升高,过渡区的曲线变化也逐渐变的尖锐,这正如前面已讨论过的,是薄膜表面熔滴颗粒的影响。

  摩擦特性曲线的变化都有一定的规律,刚开始时,薄膜表面受突然加力作用,熔滴颗粒受撞击作用,由于这些熔滴颗粒只是附着在薄膜表面,因而容易被撞击掉,此时反映出来的摩擦力较小,之后摩擦副与那些深埋在薄膜里面的大熔滴颗粒相互作用,这些熔滴颗粒不易被撞击掉,因而摩擦力陡然升高,然后趋于稳定。深埋在薄膜里的熔滴颗粒与弧源电流有关,弧源电流小,液滴颗粒少而小,因而埋在薄膜里面的熔滴颗粒少而小,这种薄膜具有较小的摩擦力,随弧源电流增大,熔滴颗粒也增多、变大,因而摩擦力也增大。

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  不同弧源电流TiN薄膜的表面形貌及其摩擦学性能研究

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