[發明專利]一種氮化鈦鋯鈮氮梯度硬質反應膜的制備方法

有效

• 申請號: 201310514050.7
• 申請日: 2013-10-28
• 公開（公告）號: CN103556119A
• 公開（公告）日: 2014-02-05
• 發明（設計）人: 張鈞;豐宇;尹利燕;張健;焦悅;蔡佳婧
• 申請（專利權）人: 沈陽大學
• 主分類號: C23C14/32
• 分類號: C23C14/32;C23C14/06
• 代理公司: 沈陽東大專利代理有限公司 21109
• 代理人: 戚羽

技術領域

本發明涉及一種氮梯度硬質反應膜的制備方法，特別是采用組合靶制備多弧離子鍍氮梯度硬質反應膜的方法，比如氮化鈦鋯鈮氮梯度硬質反應膜（以下使用“TiZrNbN”來代替“氮化鈦鋯鈮”）的制備方法。

背景技術

多弧離子鍍是一種設有多個可同時蒸發的陰極弧蒸發源的真空物理沉積技術，具有沉積速度快、膜層組織致密、附著力強、均勻性好等顯著特點，該技術適用于硬質膜及硬質反應梯度膜的制備。最初的TiN薄膜，具有較高硬度而被廣泛應用。為了進一步改善TiN的綜合性能，發展了二元合金氮化物薄膜，比如，氮化鈦鋯、?氮化鈦鈮、氮化鈦鋁等鈦基硬質反應膜由于硬度高、摩擦系數小、耐熱性強等各自特性而比氮化鈦膜更具有開發應用前景，同時，硬質膜層正向多元化、多層化、復合化的趨勢快速發展。

對于單層的以鈦為基的多組元硬質反應膜而言，主要存在以下缺點：1、一般容易出現膜層硬度與膜層附著力之間的矛盾，即硬度與附著力難以同時滿足；2、多組元合金靶市場上不易購買，常常需要專門熔煉、加工，不僅成本較高，而且周期較長；?3、多弧離子鍍硬質反應膜膜層表面容易出現“大顆粒”（也被稱為“液滴”，尺寸在5~10微米），較多的“大顆粒”影響膜層的摩擦性能；4、在膜層中產生較大的內應力，影響硬質膜的使用效果和使用壽命。

發明內容

本發明的目的是提供一種氮化鈦鋯鈮（TiZrNbN）氮梯度硬質反應膜的制備方法，該方法降低了鍍膜成本，保證了低摩擦系數、高膜層硬度和高附著力的同時實現，減小膜層的內應力，并具有良好的穩定性和可重復性。

本發明的技術方案是：一種氮化鈦鋯鈮（TiZrNbN）氮梯度硬質反應膜的制備方法依次包括：

1、沉積技術及靶材成分的確定：確定多弧離子鍍作為TiZrNbN氮梯度硬質反應膜的制備技術，選用兩個不同方位且成90度配置的弧源同時起弧沉積，其中一個弧源為純度99.9%的商用鈦鈮合金靶，鈦鈮合金靶的原子比為Ti:Nb=75:25；另一個弧源為純度99.9%的商用鋯單質靶。

2、工件的選擇與前處理：選擇商用高速鋼作為工件材料，在放入鍍膜室進行鍍膜前，使用金屬洗滌劑對工件進行常規去油、去污處理并進行表面拋光處理，最后分別用丙酮和乙醇進行超聲波清洗，電吹風吹干以備用。

3、預轟擊工藝的確定：指為獲得多弧離子鍍TiZrNbN氮梯度硬質反應膜而在沉積之前進行的離子轟擊工藝，當鍍膜室背底真空達到8.0′10^-3帕、溫度達到200°C時充入氬氣，使鍍膜室真空度達到2.5′10^-1?帕，開啟兩弧源，保持弧電流在55~56安培，進行離子轟擊10~12分鐘，轟擊偏壓從300伏逐漸增加到350伏。

4、沉積工藝的確定：指為獲得多弧離子鍍TiZrNbN氮梯度硬質反應膜而采用的沉積工藝，鍍膜過程分為四個階段，第一步，將鍍膜室內的氬氣壓強保持在2.5′10^-1?帕，鋯單質靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為200伏，沉積時間5分鐘；第二步，向鍍膜室內通入氮氣，使其分壓強達到1.0′10^-1?帕，然后調整氬氣流量，使混合氣體總壓強保持在2.5′10^-1?帕，鋯單質靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為150~200伏，沉積時間10分鐘；第三步，關閉氬氣入口，使氬氣流量為0，氬氣分壓為0，并繼續增加氮氣流量，使其壓強達到2.5′10^-1?帕，鋯單質靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為150~200伏，沉積時間20分鐘；第四步，使氮氣壓強達到3.0′10^-1?帕，鋯單質靶和鈦鈮合金靶的弧電流均置于55~56安培，工件偏壓為150~200伏，沉積時間20分鐘。

5、真空加熱處理：包括工件加熱和膜層烘烤，工件加熱方式采用電熱體烘烤加熱，在鍍膜室背底真空達到3.0′10^-2帕時開始工件加熱，升溫速度保持在3~5°C?/分鐘，一小時后可以達到200°C；膜層烘烤是指沉積過程結束后對所沉積的TiZrNbN氮梯度硬質反應膜進行后加熱烘烤，采用小電流進行微加熱10~15分鐘，電流逐漸從70安培降低到50安培。

6、工件旋轉：在工件加熱、離子轟擊、膜層沉積、膜層烘烤的整個過程中一直保持工件旋轉，轉速為4~6轉/分鐘。