[發(fā)明專利]WAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410211117.4
• 申請日: 2014-05-19
• 公開（公告）號: CN104005002A
• 公開（公告）日: 2014-08-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 喻利花;許俊華;趙洪艦
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/06
• 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WAlN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。氮化鎢(W₂N)因具有高熔點、高硬度、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、低摩擦系數(shù)及優(yōu)良的抗磨損性能而受到研究者關(guān)注。近年來不少學(xué)者研究了WTiN和WCN等體系的力學(xué)性能和摩擦磨損性能，發(fā)現(xiàn)添加第三種元素后，力學(xué)性能及摩擦磨損性能均得到改善，但其熱穩(wěn)定性不好，直接影響其在高溫環(huán)境中的摩擦磨損性能。因此，與當(dāng)代加工制造業(yè)所要求的理想高硬度耐磨損涂層相比，此類硬質(zhì)涂層的摩擦磨損性能仍有不足。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有WN系硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合膜及多層膜抗氧化性能及摩擦磨損性能不理想的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種WAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，具有高硬度、熱穩(wěn)定性和摩擦磨損性能好，且具有較高生產(chǎn)效率，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WAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法。

為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案：

一種WAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜，采用雙靶共焦射頻反應(yīng)濺射法在硬質(zhì)合金或陶瓷基體上制備得到，薄膜厚度在1-3um，W含量為60at.％-100at.％，Al含量為0at.％-40at.％且大于0。

一種WAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，是利用以高純W靶和Al靶為靶材，采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獲得。

W含量為60at.％-100at.％且小于100at.％，Al含量為0at.％-40at.％且大于0；

較佳地，W含量為61.4at.％-100at.％且小于100at.％，Al含量為0at.％-38.6at.％且大于0；

較佳地，Al含量為12.03at.％-38.6at.％；

更佳地，Al含量為22.03at.％-32.4at.％，最佳為32.4at.％，因為當(dāng)Al含量為32.4at.％時，薄膜的硬度高達37GPa，干切削實驗下，摩擦系數(shù)和磨損率為0.3和0.9×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

沉積時，真空度優(yōu)于3.0×10^-3Pa，以氬氣起弧，氮氣為反應(yīng)氣體進行沉積，濺射氣壓0.3Pa、氬氮流量比10:(6-15)；

前述的WAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜的制備方法，其特征在于，在基體上預(yù)先沉積CrN作為過渡層，Cr靶濺射功率為80-150W。

本發(fā)明的WAlN硬質(zhì)納米結(jié)構(gòu)薄膜,厚度在1-3um，綜合具備了高硬度，高耐磨性的優(yōu)良特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例所得不同Al含量的WAlN復(fù)合膜的XRD圖譜，可見，WAlN薄膜具有與W₂N薄膜(Al含量為0時)相似的面心立方結(jié)構(gòu)，薄膜主要呈(200)擇優(yōu)取向生長。(根據(jù)復(fù)合膜的主要成分W、Al、N，發(fā)明人將薄膜命名為WAlN)。

圖2為本發(fā)明實施例所得WAlN薄膜硬度(GPa)與Al含量(at.％)的變化關(guān)系；在0-40at.％的范圍內(nèi)，隨Al含量的增加，薄膜的顯微硬度逐漸升高，當(dāng)Al含量為32.4at.％時，硬度最高為37GPa，Al含量高于32.4at.％時，隨著Al含量增加，薄膜的顯微硬度逐漸下降。

圖3為本發(fā)明實施例所得WAlN復(fù)合膜干切削實驗下平均摩擦系數(shù)及磨損率與Al含量的變化關(guān)系曲線，在0-40at.％的范圍內(nèi)，隨Al含量的增加，薄膜的平均摩擦系數(shù)和磨損率均先減小后增大，Al含量為32.4at.％時，摩擦系數(shù)和磨損率達到最小，分別為0.30和0.9×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

圖4為本發(fā)明實施例所得WAlN復(fù)合膜干切削實驗下平均摩擦系數(shù)和磨損率隨摩擦溫度(℃)變化關(guān)系曲線。可知，當(dāng)溫度升至200℃時，WAlN復(fù)合膜的摩擦系數(shù)增大；繼續(xù)升高溫度時摩擦系數(shù)反而減小。而隨溫度的升高，復(fù)合膜的磨損率逐漸增大。

具體實施方式