[發(fā)明專利]NbVN硬質(zhì)納米薄膜及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410101562.5
• 申請日: 2014-03-19
• 公開（公告）號: CN103898456A
• 公開（公告）日: 2014-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 許俊華;喻利花;胡紅霞
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號: C23C14/34
• 分類號: C23C14/34;C23C14/06;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種涂層及其制備方法，特別是一種NbVN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜及制備方法，屬于陶瓷涂層技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，對刀具涂層提出了諸如“高速高溫”、“高精度”、“高可靠性”“長壽命”等更高的服役要求，除了要求涂層具有普通切削刀具涂層應(yīng)有的高硬度、優(yōu)異的高溫抗氧化性能外，更需要涂層具有優(yōu)良的摩擦磨損性能。然而，現(xiàn)有的刀具涂層雖然都具有較高硬度，但它們的摩擦磨損性能都不理想，難以滿足如高速、干式切削等苛刻的服役條件。氮化鈮(NbN)薄膜具有良好的力學(xué)性能和較高的臨界超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，使其在微電子器件、微電子機械系統(tǒng)、超導(dǎo)電子學(xué)、刀具保護(hù)涂層等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。盡管塊材NbN的硬度(HV=14GPa)明顯低于其它氮化物(TiN和ZrN)，但是濺射制備的NbN薄膜的硬度卻顯著的高于其它二元氮化物。NbN和TiN一樣也可以作為硬質(zhì)材料應(yīng)用于切削工具涂層等領(lǐng)域。雖然NbN薄膜的硬度比TiN薄膜高，然而在市場上并沒有發(fā)現(xiàn)單一的NbN用作切削工具的保護(hù)涂層。是因為硬質(zhì)合金刀具上的單一NbN涂層容易脆性失效，導(dǎo)致其切削性能變差。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種NbVN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，克服現(xiàn)有NbN系硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜及多層膜高溫摩擦磨損性能不理想等缺點，兼具高硬度和優(yōu)異的摩擦磨損性能，可作為高速、干式切削的納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)薄膜。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種NbVN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，具有較高生產(chǎn)效率。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實驗的：

NbVN硬質(zhì)納米薄膜，是采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上得到的，薄膜分子式為（Nb,V）N，厚度為1～3μm，V含量為0～50at.%且大于0，NbVN薄膜在25℃-700℃范圍為隨著溫度升高摩擦系數(shù)降低。

NbVN硬質(zhì)納米薄膜的制備方法，是利用雙靶共焦射頻反應(yīng)法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上沉積1～3μm的V含量為0～50at.%且大于0的NbVN薄膜，沉積時，真空度<3.0×10^-3Pa,以氬氣起弧，氮氣為反應(yīng)氣體進(jìn)行沉積；濺射氣壓0.3Pa、氬氮流量比10:（1～10），Nb靶濺射功率100～300W，V靶濺射功率0～150W，在基體上先沉積純Nb作為過渡層。

優(yōu)選Nb靶濺射功率200W，V靶濺射功率60W。

本發(fā)明的NbVN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜采用高純Nb靶和V靶共焦射頻反應(yīng)濺射，沉積在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上制備得到，涂層硬度達(dá)到20GPa以上，最高硬度和彈性模量分別為29.88GPa和328.24GPa，V元素對NbN膜力學(xué)性能的影響可通過固溶強化及薄膜中δ′-NbN相的相對含量來解釋。NbVN復(fù)合膜中，V原子半徑小于Nb原子半徑，V原子取代Nb原子的位置，形成Nb,VN置換固溶體，從而產(chǎn)生晶格畸變，造成薄膜顯微硬度增大，因此根據(jù)該薄膜的主要成分，將其分子式命名為NbVN薄膜。

附圖說明

圖1為本發(fā)明NbVN薄膜的XRD圖譜；從圖1可知：復(fù)合膜出現(xiàn)了面心立方結(jié)構(gòu)NbN（δ）的（111）、（200）、（220）和（202）面衍射峰及六方結(jié)構(gòu)NbN（δ′）的（101）面衍射峰。V原子含量對薄膜的擇優(yōu)取向影響較大,當(dāng)為NbN單層膜（0at.%）時，薄膜為面心立方NbN（200）面擇優(yōu)，當(dāng)V含量增加，低于16.15at.%時，薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎絅bN（111）面擇優(yōu)，并隨V含量增加，衍射峰強度逐漸增強，當(dāng)V含量為16.15at.%時，薄膜為面心立方NbN（101）面擇優(yōu)，繼續(xù)增加V含量，薄膜又轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎絅bN（200）面擇優(yōu)；

圖2為本發(fā)明實施例制備的NbVN薄膜硬度與V含量（at.%）的關(guān)系，薄膜具有最大硬度29.88GPa；

圖3為本發(fā)明實施例制備的NbVN薄膜彈性模量與V含量（at.%）的關(guān)系，薄膜具有最大彈性模量328.24GPa；

圖4為本發(fā)明實施例制備的NbVN復(fù)合膜的六方δ’-NbN相的體積分?jǐn)?shù)隨V含量（at.%）的變化關(guān)系；用δ′-NbN相的體積分?jǐn)?shù)V(δ′-NbN)/[(V(δ-NbN)+V(δ′-NbN))表示復(fù)合膜中δ′-NbN相的相對含量，由圖可見當(dāng)V含量從0增加到50%時，δ′-NbN相的體積分?jǐn)?shù)呈先增加后降低的變化趨勢。在此區(qū)間內(nèi)δ′-NbN相的體積分?jǐn)?shù)有最大值，為32.84%，繼續(xù)增加V元素，其值降低。又因δ′-NbN相的硬度高于δ-NbN相，故薄膜的顯微硬度表現(xiàn)出與δ′-NbN相的體積分?jǐn)?shù)相同的變化規(guī)律，在相同點顯微硬度達(dá)到最大值，為29.88GPa；