不同调制周期TiAlSiN/Mo2N 层膜的微观结构、力学和摩擦性能研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)江苏科技大学先进焊接技术 作者:鞠洪博

  采用射频磁控溅射制备不同调制周期的TiAlSiN/Mo2N 多层膜。利用X 射线衍射,扫描电镜,能量弥散X 射线谱,纳米压痕仪及摩擦试验机对薄膜的成分,相结构,力学及室温摩擦性能进行分析。结果表明,不同调制周期的TiAlSiN/Mo2N多层膜为fcc 与hcp 混合结构,不同调制周期的TiAlSiN/Mo2N 多层膜硬度均大于单层TiAlSiN 和Mo2N 薄膜,且TiAlSiN/Mo2N多层膜的硬度与弹性模量随调制周期的影响不大,硬度稳定在29 GPa 左右,室温条件下,以Al2O3为摩擦副的TiAlSiN/Mo2N多层膜平均摩擦系数平均摩擦系数均低于单层TiAlSiN、Mo2N 薄膜,且随调制周期的增大逐渐降低,其最低平均摩擦系数为0. 42,对应调制周期为12 nm。

  加工技术的快速发展对刀具涂层提出了更为严苛的性能要求,这些性能如“高速高温”、“高精度”、“高可靠性”、“长寿命”等。除了要求涂层具有普通切削刀具涂层应有优良的摩擦磨损性能外,更需要涂层具有的高硬度、优异的高温抗氧化性。对于在如干式加工等极端服役条件下,需要一种能够兼具高硬度和优良摩擦磨损性能的工具涂层。过渡族金属氮化物具有优异的力学和摩擦磨损性能,在诸如刀具薄膜等领域占据着重要的一席之地。这其中,具有代表性的薄膜便是TiAlN 薄膜。TiAlSiN 薄膜是在TiAlN 薄膜基础上发展起来的一种综合性能更加优良的超硬薄膜。

  尽管TiAlSiN 薄膜具有优异的机械性能和耐磨性,但是其平均摩擦系数较高,限制了其在刀具工业中的进一步应用。随着现代切削行业的发展,在TiAlSiN 涂层的基础上提出了更高的要求。目前,改良氮化物薄膜的主要手段有两种,一是多元化,二是多层化。研究表明,氮化物薄膜的多层化可以使薄膜体现出两种乃至多种薄膜同有的优异性能,进而改良薄膜的性能。由于在干切削环境下能够生成具有自润滑性能的MoO3,Mo2N 薄膜体现出优异的摩擦性能,使得Mo2N 薄膜在刀具加工业中体现出良好的应用前景。然而,Mo2N 薄膜的力学性能受制备工艺的影响显著,学者往往很难获得具有优异力学性能的Mo2N 薄膜,这限制该薄膜在工业生产中的大规模应用。基于多层膜的设计原理,可以推知,将具有稳定力学性能的TiAlSiN 薄膜与具有良好摩擦性能的Mo2N 薄膜进行多层化,可能会得到兼具优异力学及摩擦性能的TiAlSiN/Mo2N 多层膜。然而,目前国内外学者对TiAlSiN/Mo2N多层膜的制备及性能研究较少,所以,TiAlSiN/Mo2N的制备与性能研究具有一定的意义。

  为此,本文利用射频磁控溅射法制备一系列不同调制周期的TiAlSiN/Mo2N 薄膜,研究其微结构、力学性能和摩擦性能。

1、实验材料及方法

  实验材料为单晶Si( 100) 基片和304 不锈钢基片,将304 不锈钢线切割成15 mm × 15 mm × 2. 5mm 的小块,分别用400#、1000#、2000#的水砂纸进行打磨,然后经过W3 和W0. 5 的金刚石研磨膏抛光。将单晶Si( 100) 基片和抛光好的304 不锈钢基片依次在蒸馏水、丙酮和酒精中超声清洗15 min,干燥后得到试验用样品。其中,Si 基片用于薄膜微观结构和力学性能测试,304 不锈钢基片用于薄膜摩擦性能测试。

  薄膜制备采用JGP450 型多靶磁控溅射仪,它由2 个RF 溅射枪和一个DC 溅射枪组成,基片架与溅射枪的间距为78 mm。将纯度为99. 9% 的Al-Si合金靶和纯度为99. 999% 的Mo 靶分别装在2 个RF 溅射枪上,纯度为99. 9% 的Ti 靶放在DC 溅射枪上,靶材的尺寸为直径75 mm,厚度5 mm。真空室本底真空优于6. 0 × 10-4Pa。将基片样品装入真空室内可旋转的基片架上,向真空室内通入纯度均为99. 999% 的Ar 和N2,其中Ar 气流量为10 mL /min,N2气流量为10 mL /min,工作气压控制在0. 3Pa。制备TiAlSiN/Mo2N 多层膜的过程中,Ti 靶功率保持在200 W,Al-Si 合金靶功120 W,Mo 靶功率120 W,实验测量TiAlSiN 和Mo2N 薄膜的沉积速率分别约为0. 6 和0. 73 nm/s。根据上述测得的TiAl-SiN 和Mo2N 薄膜沉积速率来算出挡板开合时间来控制膜厚。制备一系列调制周期分别为3,5,9 和12 nm 的TiAlSiN/Mo2N 多层膜,多层膜总厚度≥2.0 μm。沉积之前,先用挡板隔离基片与离子区,每个靶都进行10 min 的预溅射,去除表面氧化物,然后在基片上沉积厚度约为50 nm 的TiN 过渡层,以增强膜基结合力。

  采用岛津XRD-6000 型X 射线衍射( XRD) 仪对样品的相组成进行分析。硬度测试在CPX + NHT2+ MST 纳米力学综合测试系统上完成,压头类型为三棱锥压头,载荷大小为6 mN,纳米压痕仪的基本原理可见文献。为了确保结果的可靠性,对每个样品打9 个点的硬度,取这9 个点的平均硬度为薄膜的最终硬度。一般而言,当压痕深度小于薄膜厚度的10% 的时候,测试结果不受基片的影响。在本文的实验中,硬度值均在120 ~ 150nm 的压痕深度下获得的,保证了薄膜的力学性能不受基片的影响。

  摩擦磨损实验是在美国CETR 公司生产的UTM-2 型高温摩擦磨损仪上完成的,摩擦形式为球-盘式圆周式摩擦磨损。摩擦头为Al2O3陶瓷摩擦头,加载载荷为3 N,摩擦圆周半径为4 mm,摩擦转速为50 rad /min,摩擦时间为30 min。

结论

  (1) TiAlSiN/Mo2N 多层膜为fcc 与hcp 混合结构具有fcc-( 111) 择优取向。

  (2) 不同调制周期的TiAlSiN/Mo2N 多层膜硬度均大于单层TiAlSiN 和Mo2N 薄膜,且TiAlSiN/Mo2N 多层膜的硬度与弹性模量随调制周期的影响不大,硬度稳定在29 GPa 左右,弹性模量稳定在300 GPa 左右。

  (3) 室温条件下,以Al2O3为摩擦副的TiAlSiN/Mo2N 多层膜平均摩擦系数受调制比影响显著。不同调制周期的TiAlSiN/Mo2N 多层膜的室温平均摩擦系数均低于单层TiAlSiN、Mo2N 薄膜,且随调制周期的增大逐渐降低,TiAlSiN/Mo2N 多层膜最低平均摩擦系数为0. 42,对应调制周期为12 nm。

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