[發(fā)明專(zhuān)利]一種四元單層超硬薄膜材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710160391.7
• 申請(qǐng)日: 2017-03-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106917066B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓克昌;林國(guó)強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C23C14/32
• 分類(lèi)號(hào): C23C14/32;C23C14/02;C23C14/06
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專(zhuān)利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠(yuǎn)

本發(fā)明提供了一種四元單層超硬薄膜材料及其制備方法，屬于金屬材料表面改性和機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域。一種Zr?Al?O?N四元單層超硬薄膜材料和利用電弧離子鍍技術(shù)在工模具材料表面制備該薄膜的方法。該材料的成分設(shè)計(jì)依據(jù)化學(xué)鍵合及電子能帶結(jié)構(gòu)理論，遵循共價(jià)性耦合能帶理論來(lái)完成；該制備方法利用電弧離子鍍?cè)O(shè)備并通過(guò)分離靶弧流調(diào)控及氮、氧分壓調(diào)控來(lái)進(jìn)行，可沉積合成原材料簡(jiǎn)單、成本低、卻硬度高于40GPa的耐磨損、抗腐蝕和抗氧化性能良好的高性價(jià)比Zr?Al?O?N四元單層薄膜。該方法沉積速度快、生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)單、利于批量生產(chǎn)，特別適于機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬材料表面改性和機(jī)械加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種Zr-Al-O-N四元單層超硬薄膜材料及其制備方法。

背景技術(shù)

自上個(gè)世紀(jì)80年代美國(guó)的Vac-Tech公司和Mul-Arc公司把TiN薄膜成功地應(yīng)用到刀具表面涂層上以來(lái)，工具硬質(zhì)鍍層技術(shù)已經(jīng)走過(guò)了近40年的歷程。在此期間，為了不斷滿足機(jī)械加工業(yè)向更高速和連續(xù)化生產(chǎn)方向發(fā)展以及在更加苛刻條件下服役的需求，硬質(zhì)膜層材料從最初的第一代TiN,過(guò)渡到第二代的TiCN、TiAlN等，又發(fā)展至目前花樣繁多的多組元復(fù)合膜和多層膜體系。多層膜通過(guò)對(duì)膜層的搭配和周期的調(diào)制能夠調(diào)控膜層材料的性能，如硬度、韌性、抗磨損性等。但復(fù)雜的調(diào)制工藝對(duì)膜層制備所需的材料和技術(shù)手段等均有著較高的要求，膜層材料制備成本偏高，并且多層結(jié)構(gòu)還會(huì)在膜層的服役過(guò)程中會(huì)隨著層狀結(jié)構(gòu)的率先失效而使薄膜性能陡降，從而嚴(yán)重制約了多層膜系的在工業(yè)上的應(yīng)用。與多層膜系相比，單層薄膜制備工藝簡(jiǎn)單，成本低，性價(jià)比高，是工業(yè)廣泛應(yīng)用的絕佳選擇。但目前現(xiàn)有的傳統(tǒng)單層硬質(zhì)復(fù)合薄膜，如TiN、TiCN、TiAlN等，由于它們的硬度一般都在20-24GPa左右，難以達(dá)到超硬標(biāo)準(zhǔn)，并不能滿足機(jī)加工業(yè)苛刻的要求。而目前的單層多組元薄膜材料，試圖通過(guò)對(duì)各組元的搭配和含量調(diào)控已期獲得好的材料性能，但由于薄膜組元眾多，成分搭配調(diào)控理論依據(jù)不明確，近年來(lái)能夠滿足機(jī)加工業(yè)更高要求的高性價(jià)比表面改性用超硬薄膜材料鮮有出現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高性價(jià)比的Zr-Al-O-N四元單層超硬薄膜材料及其制備方法。該薄膜材料擁有40GPa以上的超高硬度、良好的耐磨損、抗腐蝕和抗氧化性能。且其制備方法簡(jiǎn)單易操作，制備效率高，膜層材料制作成本低，非常適于機(jī)加工業(yè)使用。

本發(fā)明的科學(xué)依據(jù)是：硬質(zhì)膜層材料的本征強(qiáng)度，主要取決于原子尺度上的化學(xué)鍵合、電子能帶結(jié)構(gòu)等內(nèi)在因素。在多元復(fù)合硬質(zhì)氮化物中，金屬價(jià)電子與非金屬價(jià)電子間高方向性的耦合能夠形成有效抵抗剪切形變的共價(jià)性結(jié)合，對(duì)硬度造成積極影響。此共價(jià)性耦合能帶在價(jià)電子數(shù)和為8.4時(shí)得到飽和填充，相應(yīng)材料的強(qiáng)度在此成分點(diǎn)處獲得峰值。而在晶格結(jié)構(gòu)中有空位存在時(shí)，由于空位強(qiáng)化作用的疊加，材料峰值點(diǎn)將會(huì)出現(xiàn)在價(jià)電子數(shù)總和略低于8.4處。

以此為理論依據(jù)，進(jìn)行單層四元氮化物超硬Zr-Al-O-N薄膜材料的成分設(shè)計(jì)。選擇在擁有較好高溫穩(wěn)定性和機(jī)械性能的三元ZrAlN薄膜的基礎(chǔ)上，引入增加鍵合強(qiáng)度的第四組元，即ⅥA族的氧(O)元素。ZrAlN薄膜是將ⅢA族Al元素加入到二元氮化物ZrN形成，因Al原子最外層電子排布為2s²2p¹，價(jià)電子數(shù)為3，相對(duì)ⅣB族Zr原子，Al原子對(duì)于價(jià)電子濃度和的貢獻(xiàn)降低，難以滿足強(qiáng)度峰值處價(jià)電子數(shù)的需求；而O原子最外層核外電子排布為2s²2p⁴，價(jià)電子數(shù)為6，相對(duì)ⅤA族N原子，引入部分O原子對(duì)于價(jià)電子濃度和貢獻(xiàn)增加，補(bǔ)償由于Al元素加入造成的價(jià)電子數(shù)不足，而且O原子鍵合強(qiáng)度較高，能夠進(jìn)一步提高薄膜機(jī)械性能和抗氧化能力。對(duì)于四種元素的最佳含量配比，在計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算獲得初步結(jié)果的基礎(chǔ)上，再通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證獲得。