[發明專利]一種硬質合金表面磁控濺射復合技術沉積W-N硬質膜的方法

有效

• 申請號: 201810849879.5
• 申請日: 2018-07-28
• 公開（公告）號: CN108977781B
• 公開（公告）日: 2021-06-08
• 發明（設計）人: 匡同春;張子威;彭小珊;黎毓靈;鄧陽;雷淑梅;王毅;陳靈;周克崧;鐘喜春;曾德長
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C23C14/35
• 分類號: C23C14/35;C23C14/02;C23C14/06
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;馮振寧

本發明公開了一種硬質合金表面磁控濺射復合技術沉積W?N硬質膜的方法。該方法先將基體研磨、拋光、超聲清洗，然后對其表面進行離子清洗與刻蝕，而后在硬質合金表面沉積致密W?N硬質膜過渡層，接著在過渡層上原位沉積W?N硬質膜。本發明利用電弧增強輝光放電技術清潔基體表面，大幅度提高膜基結合力，其次在基體表面利用高功率脈沖磁控濺射技術沉積一層致密的W?N硬質膜過渡層，進一步增強硬質膜結合強度，同時充當良好的熱屏障和化學屏障。最終制備出摩擦性能優異、硬度高、表面平整、化學穩定性良好的W?N硬質膜，有效提高硬質合金工件的綜合性能和使用壽命。該硬質膜制備可控，制備方法簡單，節能環保，易于實施，適合推廣應用。

技術領域

本發明涉及材料表面加工領域，具體涉及一種硬質合金表面磁控濺射復合技術沉積W-N硬質膜的方法。

背景技術

在硬質合金刀具的使用中，其綜合性能非常重要，這直接影響了刀具的使用壽命。硬質涂層的出現無疑為刀具開辟了新的世界。刀具涂層技術是在刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好、附著性優異、化學惰性的難熔金屬或非金屬化合物薄膜，從而解決刀具存在的強度/韌性之間的矛盾。刀具涂層作為一個化學屏障和熱屏障，能夠減少刀具與工件的擴散和化學反應，且耐磨性好，從而減少刀具磨損，其壽命可以大大提高。

物理氣相沉積技術制備薄膜分為三大類：真空蒸鍍、真空離子鍍以及濺射鍍膜，其中濺射鍍膜的主要優點是沉積粒子的能量較高，所沉積的薄膜組織更加致密，與基體的附著強度更好；制備合金薄膜時，可更有效控制薄膜成分；濺射用的靶材可以是幾乎所有的金屬、化合物及難熔材料，也可在不同材料的基體上制備相應的薄膜，反應濺射鍍膜可實現金屬元素靶材制備化合物薄膜；濺射鍍膜還可實現大面積鍍膜、大規模連續生產，適合工業應用。

根據濺射方法不同，濺射鍍膜可分為直流濺射、射頻濺射、磁控濺射、反應濺射及離子束濺射等。直流磁控濺射是20世紀70年代發展起來的一種濺射技術，通過在靶材表面施加垂直靶面的磁場，將電子的運動軌跡限制在靶材表面附近，從而提高電子碰撞概率和靶材粒子的電離效率，進而提高薄膜的沉積效率。相比其它物理氣相沉積方法，直流磁控濺射技術沉積速率高，工作氣壓低，鍍膜質量高，工藝穩定可控，便于大規模生產；高功率脈沖磁控濺射則是在普通磁控濺射技術的基礎上增添了脈沖電源，使其離化率更高。其優勢在于：較高的脈沖峰值功率(比傳統高2～3個數量級)，脈沖占空比較低，較高離化率，可以獲得優異的膜基結合力、控制涂層的微結構等。適用于任何材料，大顆粒少，表面光滑。其次，在偏壓作用下，高能離子束沖擊基體表面，可以起到清潔基體表面的作用，同時可以刻蝕表面和注入到涂層以及基體界面，能夠改變基體的表面結構，使沉積的涂層外延生長，獲得化學結合的界面，以此來增加結合力。

基體前處理采用的電弧增強型輝光放電技術是通過電弧放電產生高密度等離子體，電子在陽極棒的牽引下，進入腔室與通入的氬氣碰撞，顯著提高其離化率，使基體沉浸在低能量高密度的等離子體氛圍中，對基體起到了一定的電子加熱作用。相比傳統的離子刻蝕清洗，電弧增強型輝光放電技術有效避免基體表面損傷并顯著減少基體表面雜質，在一定程度上顯微毛化基體表面幾何尺寸，同時也對后續鍍膜起到了預離化作用。

氮化物涂層具有高熔點、高硬度、良好的耐磨性等特點。有關氮化鈦、氮化鉻等硬質涂層已進行了系統的研究，并已在工業上獲得了廣泛的應用。氮化鎢具有高硬度、高熔點、優良的化學穩定性等優點，基于這些優點，氮化鎢已被用于大規模集成電路的擴散阻擋層、高耐磨材料、催化材料、光學材料及薄膜電極等領域。因此，氮化鎢涂層成為保護涂層的潛力材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有高硬度、耐腐蝕、抗沖擊、磨耗少、高附著力、壽命長等優勢的復合硬質膜制備方法，而且制備方法簡單，節能環保，生產成本低，適合推廣應用。

為實現以上目的，本發明采用以下技術方案：

一種硬質合金表面磁控濺射復合技術沉積W-N硬質膜的方法，包括以下步驟：