Vcn硬質納米結構薄膜及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種VCN硬質納米結構薄膜及其制備方法，是在室溫下，采用高純的V靶和C靶為靶材，雙靶共焦射頻反應濺射法沉積在基體上得到的。沉積時，以氬氣起弧，氮氣為反應氣體，氬氮氣流量比為10sccm：7sccm,基體的旋轉速度為3r/min，工作氣壓為0.3Pa，背底真空度<6.0×10?4Pa,濺射時間為3h。所得薄膜厚度為1.8～2.6um，C元素含量在0at.％?21.2at.％之間，VCN復合膜為面心立方結構，擇優取向為(111)，薄膜的最高硬度為28.1GPa，干切削實驗下，最低摩擦系數為0.3824，最低磨損率1.17×10?8mm3·N?1mm?1。
【專利說明】
VCN硬質納米結構薄膜及其制備方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種涂層及其制備方法，特別是一種VC師g質納米結構薄膜及制備方 法，屬于陶瓷涂層技術領域。
【背景技術】
[0002] 近幾十年來，氮化物過渡族金屬(TMN)薄膜由于其優異的性能而吸引了研究者廣 泛的興趣。TMN薄膜在很多領域都有運用，比如在刀具和機械零部件中作為耐磨損膜、裝飾 膜、潤滑膜;在電子設備中作為阻擋擴散層、電氣接觸等。隨著日益發展的制造業，人們對材 料要求越來越苛刻，為此開發了很多二元、=元TMN薄膜。磁控瓣射系統由于高的沉積速率、 精確的成分控制、良好的膜基結合力W及廣泛的瓣射材料等優勢而得到廣泛使用。
[0003] 與鐵的化合物相比較，盡管饑的化合物在增加刀具、磨具及機械工具的使用壽命 上有著潛在的應用，但是近幾年來對饑的化合物的關注度較低。VN薄膜具有較高的硬度、杰 出的抗氧化性和耐腐蝕性、高的熱穩定性和電導性，運些典型的特性，使其很適應于切削刀 具、磁力、電力組件，但是單一 V師更質薄膜仍具有摩擦磨損性能不理想的缺點。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是克服現有技術的不足，提供一種硬質納米結構薄膜，兼具高硬 度和優異的摩擦磨損性能。在VN薄膜中添加 C元素后，可W有效的改善薄膜室溫下的摩擦磨 損性能，到現在為止還幾乎鮮有關于VCN復合薄膜的研究報道。
[0005] 本發明的另一個目的是提供一種VC師g質納米結構薄膜的制備方法，具有較高生 產效率。
[0006] 本發明是通過W下技術方案實驗：
[0007] VC師g質納米結構薄膜，是采用雙祀共焦射頻反應瓣射法在硬質合金或單晶Si片 (100)上沉積得到，C元素含量在0at.%-21.2at.%之間，VCN復合膜為面屯、立方結構，擇優 取向為(111);
[000引當C祀功率小于30W時，薄膜中存在fcc-VN相和t-VsN相，當C祀功率大于30W時，薄 膜中逐漸出現了非晶C相，且隨著C祀功率的增大，非晶相隨之增多；
[0009] 隨C元素含量的增加，復合膜的硬度和彈性模量均先升高后降低，摩擦系數和磨損 率逐漸減小，C祀功率為90W時，薄膜的硬度和抗彈性應變達到最大值，分別為28. IGPa和 0.094,薄膜的摩擦系數和磨損率僅為0.3824和1.17Xl(T8mm3 ? rimnfi。
[0010] VC師g質納米結構薄膜的制備方法，采用高純的V祀和C祀，雙祀共焦射頻反應瓣射 法在硬質合金或單晶Si片（100)上沉積得到，沉積時，背底真空度<6.OXl〇-4Pa，W氣氣起 弧，氮氣為反應氣體進行沉積，瓣射氣壓0.3Pa、氣氮流量比10: 7，V祀瓣射功率200W，C祀瓣 射功率0~120W，通過調節C祀功率獲得不同C元素含量的VCN復合薄膜；
[0011] 較佳地，基體上先瓣射lOOnm左右厚度的純V過渡層；
[001^ 有益效果：
[0013] 1、所得薄膜厚度為1.8~2.6皿，加入C元素后，VCN復合膜為面屯、立方結構，擇優取 向為（111);當C祀功率小于30W時，薄膜中存在f CC-VN相和t-VsN相，當C祀功率大于30W時， 薄膜中逐漸出現了非晶C相，且隨著C祀功率的增大，非晶相隨之增多。
[0014] 2、隨C祀功率增加，復合膜的硬度和彈性模量均先升高后降低，摩擦系數和磨損率 逐漸減小，C祀功率為90W時，薄膜的硬度和抗彈性應變達到最大值，分別為28.1GI^和 0.094,薄膜的摩擦系數和磨損率僅為0.3824和1.17Xl(T8mm3 ? rVifi。
【附圖說明】
[0015] 圖1為不同C祀功率下VCN復合膜的C元素的原子百分比。隨著C祀功率從0W增加到 120W，C元素的含量從Oat. %持續上升到21.2at. %。
[0016] 圖2為不同C祀功率VCN復合膜的顯微硬度和抗彈性應變。對于VN薄膜，其顯微硬度 與抗彈性應變分別為19.6GPa和0.06，當C祀功率增加到90W時，硬度與抗彈性應變分別增大 至 IJ28.1G 化和0.094。
[0017] 圖3為不同C祀功率的VCN薄膜干切削實驗下平均摩擦系數和磨損率。隨著C祀功率 的增大，薄膜的平均摩擦系數和磨損率均逐漸減小，最小值分別為0.3824 和1.17X1(^ 8mm3 ? N-imm-i。
【具體實施方式】
[0018] W下將結合實施例具體說明本發明的技術方案。
[0019] 采用雙祀共焦射頻反應瓣射法在硬質合金或單晶Si片（100)上沉積VCN硬質納米 結構薄膜，固定背底真空度、瓣射氣壓、基體旋轉速度、瓣射溫度、瓣射時負偏壓、氣氣流量、 氮氣流量和瓣射時間等參數，在室溫下在硬質合金或單晶Si片（100)先瓣射lOOnm左右厚度 的純V過渡層，再W高純的V祀和C祀共瓣射，并通入高純的反應氮氣。通過調節不同的C祀功 率來獲得不同C元素含量的VCN復合薄膜。
[0020] 制備方法，具體如下：
[0021] VCN薄膜的制備是在JGP-450高真空多祀磁控瓣射設備上完成的。該磁控瓣射儀有 =個瓣射祀，分別安裝在=個水冷支架上，=個不誘鋼擋板分別安裝在=個祀前面，通過電 腦自動控制。純V祀(99.99%)、純C祀(99.9%)分別安裝在獨立的射頻陰極上，祀材直徑為 75mm。將硬質合金(如，高速鋼)或單晶Si片（100)表面作鏡面拋光處理，向真空室內充入純 度均為99.999%的Ar、化混合氣體。沉積VCN薄膜之前，通過擋板隔離基片與離子區，首先用 Ar離子對祀材進行瓣射10分鐘，W去除祀材表面的雜質，避免雜質帶入薄膜中。在基體上沉 積lOOnm的純V作為過渡層，W增強膜基結合力。瓣射時間為化，薄膜厚度為1.8~2.6皿。
[0022] 其中，選用襯底為單晶Si片（100)對薄膜的成分、相結構和硬度進行研究;選用襯 底為不誘鋼(也可W采用其他合金，此處不誘鋼僅用作舉例，不視為對技術方案的限制）的 復合膜進行摩擦磨損性能的研究。襯底分別在丙酬和無水乙醇超聲波中各清洗l〇min，W清 除基體表面的油污與灰塵，快速烘干后裝入真空室可旋轉的基片架上。祀材到基片的距離 約為11cm。真空室本底真空優于6.0 X l(T4Pa后，通入純度為99.999%的氣氣起弧。工作氣壓 保持在0.3Pa，同時Ar、化流量比保持10:7。
[0023] W下實施例中，固定V祀功率為200W，C祀瓣射功率為0~120W，通過改變C祀瓣射功 率制備一系列不同c祀功率的VCN薄膜。
[0024] 實施例1-6中，C祀功率對應的C元素含量如表1所示：
[0025] 表 1
[0027] 實施例1
[0028] V祀功率200W，C祀功率為0W，此時薄膜中V含量為100%，硬度為19.6GPa，抗彈性應 變為0.06，干切削實驗下，摩擦系數為0.4647，磨損率為6.96 X l〇-8mm3 ? N-Vif 1。
[0029] 實施例2
[0030] V祀功率200W，C祀功率為15W，此時薄膜硬度為20.7GPa，抗彈性應變為0.063,干切 削實驗下，摩擦系數為0.4634，磨損率為3.66X10-8mm3.N-lmml。
[0031] 實施例3
[0032] V祀功率200W，C祀功率為30W，此時薄膜硬度為22.7GPa，抗彈性應變為0.076,干切 削實驗下，摩擦系數為0.4618，磨損率為2.86X10-8mm3?N-lmm-l。
[0033] 實施例4
[0034] V祀功率200W，C祀功率為60W，此時薄膜硬度為24.5GPa，抗彈性應變為0.081，干切 削實驗下，摩擦系數為0.4522，磨損率為2.39X10-8mm3?N-lmm-l。
[0035] 實施例5
[0036] V祀功率200W，C祀功率為90W，此時薄膜硬度為28.1GPa，抗彈性應變為0.094,干切 削實驗下，摩擦系數為0.4173，磨損率為1.95Xl(^8mm3?rlm^fl。
[0037] 實施例6
[0〇3引 V祀功率200W，C祀功率為120W，此時薄膜硬度為26GPa，抗彈性應變為0.087,干切 削實驗下，摩擦系數為0.3824，磨損率為1.17 X l(T8mm3 ? rVif 1。
【主權項】
1. VCN硬質納米結構薄膜，其特征在于，是采用雙靶共焦射頻反應濺射法在上沉積得 到，C元素含量在Oat. %-21.2at. %之間，VCN復合膜為面心立方結構，擇優取向為（111); C靶功率在0-120W且大于0的范圍內，當C靶功率小于30W時，薄膜中存在fcc-VN相和t-V5N相，當C靶功率大于30W時，薄膜中逐漸出現了非晶C相，且隨著C靶功率的增大，非晶相隨 之增多； 隨C元素含量的增加，復合膜的硬度和彈性模量均先升高后降低，摩擦系數和磨損率逐 漸減小，C靶功率為90W時，薄膜的硬度和抗彈性應變達到最大值，分別為28. lGPa和0.094， 薄膜的摩擦系數和磨損率僅為〇. 3824和1.17 X 10_8mm3 · rrVif1。2. 權利要求1所述的VCN硬質納米結構薄膜的制備方法，其特征在于采用高純的V靶和C 靶，雙靶共焦射頻反應濺射法在基體上沉積得到，沉積時，背底真空度〈6.0 X l(T4Pa，以氬氣 起弧，氮氣為反應氣體進行沉積，濺射氣壓〇. 3Pa、氬氮流量比10: 7，V靶濺射功率200W，C靶 濺射功率0~120W，通過調節C靶功率獲得不同C元素含量的VCN復合薄膜。3. 根據權利要求2所述的VCN硬質納米結構薄膜的制備方法，其特征在于所述的基體是 硬質合金或單晶Si片（100)。4. 根據權利要求2所述的VCN硬質納米結構薄膜的制備方法，其特征在于在沉積前，在 基體上先濺射1 〇〇nm左右厚度的純V過渡層。5. 根據權利要求3所述的VCN硬質納米結構薄膜的制備方法，其特征在于所述的硬質合 金是不銹鋼。
【文檔編號】C23C14/06GK106048544SQ201610543071
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月11日
【發明人】喻利花, 許俊華, 李勇
【申請人】江蘇科技大學