提高零件耐磨性的硬質膜層是保護性涂層的一個重要分支，在刀具、模具等行業有很廣泛的應用。硬質膜通常被分為兩類：①硬膜，硬度小于40GPa；② 超硬膜，硬度大于40GPa。膜的硬度可分為本征硬度和非本征硬度。具有本征硬度的超硬膜主要有金剛石、立方氮化硼(c-BN)、碳化硼(B4C)、非晶態類金剛石、非晶態氮化碳(a-CNx)和一些三元化合物B-C-N等。然而這些本征超硬材料由于種種缺點，穩定性較差，無法廣泛應用于刀具、模具等行業。
　　近年來，為了獲得非本征硬度超硬膜，將納米技術引入超硬膜的制備已成為人們關注的焦點。但是，迄今為止，許多研究仍致力于納米復合膜的制備方法和致硬機理等問題的探討，許多問題尚未獲得一致性的結論，高效、便捷的制備方法也處于探索之中，遠未達到成熟和實用水平。尤其在國內僅有少數單位進行這方法的研究，與國外的研究水平存在相當大的差距。因此，繼續深入開展對納米復合膜的研究仍然是當前的重要研究課題。本文利用多弧離子鍍的方法，研究納米復合膜的制備工藝以及工藝參數和膜性能的關系，以探索一種高效、便捷的納米復合膜制備工藝方法，為納米復合膜的實用化創造確實可行的條件。
　　1．實驗條件及方法
　　實驗樣品基體材料為W18Cr4V，尺寸為(p15mm×4mm)，經過淬火、回火的試樣用砂紙磨光，再拋光至表面呈光滑鏡面，清洗鐵機干凈后備用。
　　實驗采用PH-700A型多弧離子鍍膜機(鈦、銅靶材各l套)。實驗時將兩靶位置固定，銅靶在左上方，鈦靶在左下方，試樣卡在自制試樣架上，使其與兩靶的距離相等。鍍膜實驗所采用的實驗參數及具體取值范圍為：沉積時間：30～150min；沉積溫度：200～350℃；試樣距靶距離：150～250mm；負偏壓：100～400V；氮分壓：0.025～0.2Pa；Cu靶工作電流：30A；Ti靶工作電流：35A；Cu靶開啟時間：每5min開5～60s；Ti靶一直處于開啟狀態。
　　用FW-700型顯微硬度計測試(Ti,Cu)N膜的硬度；用．ISM-6500177型場發射掃描電子顯微鏡觀察膜層橫截面形貌；用能譜分析儀分析膜層的化學成份；用D8型X射線衍射儀分析膜層的結構，用Newview5032型表面粗糙度儀測試膜的厚度。
　　2．實驗結果及分析
　　2．1Ti-Cu-N多元復合膜橫截面的形貌特征
　　對沉積時間為50～60min，距靶距離為200mm左右，負偏壓為300～350V，Cu靶的開放時間為間隔5min開5～10s，N2分壓為0.1Pa左右的實驗條件下所獲得的樣品斷口分析結果如圖1所示。

斷口

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多弧離子鍍TiN/Cu多層復合納米膜研究

http://www.dgluping.com 發布日期：2009-04-27 點擊次數：0

　　提高零件耐磨性的硬質膜層是保護性涂層的一個重要分支，在刀具、模具等行業有很廣泛的應用。硬質膜通常被分為兩類：①硬膜，硬度小于40GPa；② 超硬膜，硬度大于40GPa。膜的硬度可分為本征硬度和非本征硬度。具有本征硬度的超硬膜主要有金剛石、立方氮化硼(c-BN)、碳化硼(B4C)、非晶態類金剛石、非晶態氮化碳(a-CNx)和一些三元化合物B-C-N等。然而這些本征超硬材料由于種種缺點，穩定性較差，無法廣泛應用于刀具、模具等行業。
　　近年來，為了獲得非本征硬度超硬膜，將納米技術引入超硬膜的制備已成為人們關注的焦點。但是，迄今為止，許多研究仍致力于納米復合膜的制備方法和致硬機理等問題的探討，許多問題尚未獲得一致性的結論，高效、便捷的制備方法也處于探索之中，遠未達到成熟和實用水平。尤其在國內僅有少數單位進行這方法的研究，與國外的研究水平存在相當大的差距。因此，繼續深入開展對納米復合膜的研究仍然是當前的重要研究課題。本文利用多弧離子鍍的方法，研究納米復合膜的制備工藝以及工藝參數和膜性能的關系，以探索一種高效、便捷的納米復合膜制備工藝方法，為納米復合膜的實用化創造確實可行的條件。
　　1．實驗條件及方法
　　實驗樣品基體材料為W18Cr4V，尺寸為(p15mm×4mm)，經過淬火、回火的試樣用砂紙磨光，再拋光至表面呈光滑鏡面，清洗鐵機干凈后備用。
　　實驗采用PH-700A型多弧離子鍍膜機(鈦、銅靶材各l套)。實驗時將兩靶位置固定，銅靶在左上方，鈦靶在左下方，試樣卡在自制試樣架上，使其與兩靶的距離相等。鍍膜實驗所采用的實驗參數及具體取值范圍為：沉積時間：30～150min；沉積溫度：200～350℃；試樣距靶距離：150～250mm；負偏壓：100～400V；氮分壓：0.025～0.2Pa；Cu靶工作電流：30A；Ti靶工作電流：35A；Cu靶開啟時間：每5min開5～60s；Ti靶一直處于開啟狀態。
　　用FW-700型顯微硬度計測試(Ti,Cu)N膜的硬度；用．ISM-6500177型場發射掃描電子顯微鏡觀察膜層橫截面形貌；用能譜分析儀分析膜層的化學成份；用D8型X射線衍射儀分析膜層的結構，用Newview5032型表面粗糙度儀測試膜的厚度。
　　2．實驗結果及分析
　　2．1Ti-Cu-N多元復合膜橫截面的形貌特征
　　對沉積時間為50～60min，距靶距離為200mm左右，負偏壓為300～350V，Cu靶的開放時間為間隔5min開5～10s，N2分壓為0.1Pa左右的實驗條件下所獲得的樣品斷口分析結果如圖1所示。
　　

　　
　　斷口
　　

　　斷口照片不僅呈現出明顯的晶粒特征，而且可以清楚地看到Ti-Cu-N多元復合膜中的納米晶多層結構。鍍膜時，在N2氣氛下持續開Ti靶，間斷的開放Cu靶，當Cu靶開放時，由于Cu不與N2反應，可能在TiN表面形成了Cu和TiN的混合物，阻斷了純TiN膜的生長；當Cu靶關閉時，純 TiN膜又重新開始生長，Cu靶的間斷開放形成了膜的多層結構。通過標尺可知其中每一層的厚度約為40～50nm，由此可以推斷在每一層中的晶粒大小不會超過50nm。
　　2．2Ti-Cu-N多元復合膜X射線衍射分析
　　復合膜的結構主要為TiN，并有微量的Ti、Cu晶體，有少量的a-Fe，這可能是由于膜厚度過薄造成的；Cu晶體的含量更少，這是因為 Cu靶的開放時間很短，Cu不與N2發生反應，而是在TiN表面形成了Cu晶體和TiN的混合物，阻斷了TiN膜的生長。Ti的存在可能是為了提高膜與基體的結合力，開始鍍膜時在基體表面沉積了一定量的Ti，形成純Ti晶體。再就是從弧靶上飛出的液滴存在于膜層中，保留了純Ti的結晶。
　　2．3負偏壓對膜的硬度的影響
　　負偏壓在一定范圍變化時，膜的硬度隨負偏壓的變化先增加后減小。這種變化關系是與負偏壓對膜厚度的影響密切相關的。首先隨著厚度的增大，硬度也逐漸提高，這是由于膜的厚度越大，基體材料對硬度的影響越小。此外，負偏壓的提高增強了轟擊效果，導致薄膜的晶粒細化、致度提高等，從而硬度增大。但當偏壓過高時，如達到-400V時，由于離子強烈的轟擊，濺射作用明顯，膜生長速率下降，膜厚變小，以致在測試硬度時受到基體的影響較大，使硬度值下降。
　　2．4氮分壓對膜硬度的影響
　　由于鍍膜時樣品室中只有N2，所以氮分壓就是氮氣壓力，不必考慮其他氣體的分壓。從圖4中可以看出，N2分壓在一定范圍內變化時，Ti-Cu-N多元復合膜硬度隨N2分壓的變化先增大后減小。氮氣壓力的大小實際上影響到Ti 與N2的反應程度。氣壓過低，反應不完全，故而TiN的量較少，硬度較低；當增加到一定值時(如0.1Pa)，反應較完全充分，TiN的含量相對較高，硬度最大；氣壓過大，膜層中氮含量的增多使其硬度明顯下降。所以要得到較高的顯微硬度選擇合適的氮氣壓力是非常重要的。
　　2．5Cu靶開啟時間對復合膜硬度的影響
　　當Ti靶一直處于開啟狀態，Cu靶每間隔5min開啟一次，Cu靶開啟時間在一定范圍內變化時，Ti-Cu-N多元復合膜硬度隨Cu含量的減小而逐漸增大。這是由于薄膜的生長過程大致上可分為形核和生長兩個階段。基底表面吸附外來原子后，鄰近原子的距離減小，他們在基底表面進行擴散，并且相互作用，使吸附原子有序化，形成亞穩的臨界核，然后長大成島和謎津結構。島的擴散結合形成連續膜，在島的結合過程中將發生島的移動及轉動，以調整島之間的結晶方向，進一步形成相互連接在一起的晶粒。由于晶粒與晶粒之間相互阻礙，各個晶粒不能橫向生長，只能向膜的前沿方向生長。如果工藝條件不變，各個晶粒將一直向前生長，形成柱狀晶。而在本文的鍍膜過程中，在N2氣氛下持續開Ti靶，間斷的開放Cu靶，當Cu靶開啟時，由于Cu不與N2反應，Cu沉積到 TiN表面，切斷了純TiN膜的生長：當Cu靶關閉時，純TiN膜又重新開始生核長大，Cu靶的間斷開放會使Ti-Cu-N多元復合膜中形成納米晶多層結構。Cu的硬度較低，而TiN的硬度較高。故而多元復合膜中Cu的含量越少，即Cu靶開放時間越短，Ti-Cu-N多元復合膜硬度越高。
　　3．結論
　　1．采用多弧離子鍍的方法，能夠制備出晶粒≤50nm，硬度≥3200HV的Ti-Cu-N多層納米復合膜。膜的晶粒和硬度可通過調整工藝加以擴展。
　　2．在其他參數相同的情況下，Ti-Cu-N多層納米復合膜厚度隨試樣與靶距離的增大而逐漸降低，隨負偏壓(-100～-300V)的增大而增大。
　　3．在其他參數相同的情況下，隨Cu靶開啟時間和間隔的縮短，Ti-Cu-N多層納米復合膜的晶粒縮小、硬度增大。
　　4．在其他參數相同的情況下，N2分壓在一定范圍內變化時，Ti-Cu-N多元復合膜硬度隨N2分壓的增大先增大后減小。氣壓過低，反應不完全；氣壓過大，膜層中的氮增多。所以要得到較高的顯微硬度選擇合適的氮氣壓力是非常重要的。