[發明專利]NbN-Ag硬質薄膜及制備方法

在審

• 申請號: 201410245844.2
• 申請日: 2014-06-04
• 公開（公告）號: CN104032269A
• 公開（公告）日: 2014-09-10
• 發明（設計）人: 許俊華;喻利花;胡紅霞
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: C23C14/34
• 分類號: C23C14/34;C23C14/16;C23C14/18;C04B41/88
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

技術領域

本發明涉及一種涂層及其制備方法，特別是一種NbN-Ag硬質結構薄膜及制備方法，屬于陶瓷涂層技術領域。

背景技術

過渡族金屬氮化物，如TiN，具有較高的硬度，耐磨性和優良的耐腐蝕性能，許多工業領域也有重要的用途。隨著制造技術的高速發展，尤其是高速切削、干式切削等工藝的出現，對刀具的切削性能提出了更高的要求。相比于TiN薄膜，NbN薄膜具有化學及熱穩定性高，硬度大等一系列優異的性能，因此，近年來NbN薄膜的研究日益受到重視。

近年來，由于在硬質耐磨基體上添加軟質潤滑相形成的多功能涂層在瞬時和循環環境下具有良好的摩擦性能而得到深入研究。尤其是銀和金等貴重金屬在碳化物、氧化物、氮化物集體中充當固體潤滑相。C.C.Tseng等人研究表明，在氮化物薄膜中摻入可以作為固體潤滑劑的軟金屬(例如銀或銅)能夠降低摩擦系數。孫嘉奕等人采用多弧離子鍍制備了TiAgN復合薄膜，分析了Ag含量對復合薄膜的摩擦性能的影響，結果表明Ag為基體的薄膜具有低摩擦和低磨損的特性，同時硬度和韌性較好。C.P.Mulligan等人研究了Ag對CrN薄膜結構和性能的影響，研究表明在特定溫度下Ag在CrN基中具有很大的流動性，并且可以有效降低摩擦系數和磨損率，Ag元素的引入能夠有效的改良500℃下CrN薄膜的摩擦磨損性能,但對NbN薄膜的影響尚無人研究。

發明內容

為了克服現有NbN系硬質納米結構復合膜及多層膜高溫摩擦磨損性能不佳的缺點，本發明提供一種NbN-Ag硬質薄膜，兼具高硬度和優異的摩擦磨損性能，可作為高速、干式切削的結構硬質薄膜。

本發明的另一個目的是提供一種NbN-Ag硬質薄膜的制備方法，具有高的生產效率。

為了實現上述發明目的，本發明是采用了以下技術方案：

NbN-Ag硬質薄膜，是以高純Nb靶和Ag靶為靶材，采用雙靶共焦射頻反應濺射法沉積在硬質合金或陶瓷基體上得到的，薄膜分子式為NbN-Ag，厚度為1～5μm，Ag含量為0～50at.％且大于0，NbN-Ag薄膜的摩擦系數在25℃-700℃范圍隨著溫度升高而降低。

硬質合金可以是高速鋼、不銹鋼。

Ag含量為0-50at.％且大于0；較佳為0-18.97at.％且大于0。

NbN-Ag硬質薄膜的制備方法，是以高純Nb靶和Ag靶為靶材，利用雙靶共焦射頻反應法在硬質合金或陶瓷基體上沉積1～5μm厚、Ag含量為0～50at.％且大于0的NbN-Ag薄膜，沉積時，真空度<3.0×10^-3Pa，以氬氣起弧，氮氣為反應氣體進行沉積；濺射氣壓0.3Pa、氬氮流量比10:(1～10)；

Nb靶濺射功率100～500W，Ag靶濺射功率0～150W。

Nb靶濺射功率200W，Ag靶濺射功率0～150W且大于0。較佳，Nb靶濺射功率200W，Ag靶濺射功率15W-30W。再較佳，Nb靶濺射功率200W，Ag靶最優濺射功率20W。在基體上先沉積純Nb作為過渡層。

加入一定用量范圍的Ag元素后，NbN-Ag復合膜的硬度升高達到20GPa以上，最高硬度為29.68GPa，可能與下列因素有關：其一是，Ag未進入NbN晶格，分布在晶界處修補了晶界，晶粒間的連接得到加強，提高力學性能；其二是，Ag的加入可以消除薄膜的微裂紋，因Ag具本身有良好的塑性，擴展的裂紋遇到Ag顆粒時，Ag顆粒能通過塑性變形來松弛裂紋尖端的應力集中，使裂紋鈍化；但是，當Ag摻雜量較大時將導致大量表面缺陷的產生，導致硬度降低。

附圖說明

圖1為隨著Ag含量的增加所得NbN-Ag薄膜的XRD圖譜；從圖1分析得出，Ag原子對NbN-Ag復合膜相結構影響不大。NbN-Ag復合膜呈面心立方結構NbN的(111)、(200)和(220)面衍射峰及六方結構NbN的(101)面衍射峰，但是對薄膜的擇優取向有一定的影響。NbN薄膜呈面心立方NbN(200)面擇優。加入Ag原子后，薄膜的(200)與(111)峰逐漸減弱，(220)峰增強，薄膜轉變為面心立方NbN(220)面擇優。NbN-Ag復合膜除了觀察到尖銳的NbN的衍射峰，還觀察較弱的Ag的(110)峰。說明NbN-Ag復合膜中Ag不是進入NbN晶格而形成固溶體，而是以單質形式分散存在于NbN粒子之間，根據主要成分確定薄膜分子式為NbN-Ag；

圖2為本發明實施例制備的NbN-Ag薄膜硬度與Ag含量(at.％)的關系曲線，薄膜具有最大硬度29.68GPa；