(TiZr)N硬質(zhì)膜的沉積工藝研究

　　本文主要研究(TiZr)N硬質(zhì)膜的沉積工藝波動(dòng)范圍及影響。考察了陰極靶電流、N2氣流量等工藝參數(shù)對(duì)膜層組織和性能的影響。研究表明，沉積工藝參數(shù)的波動(dòng)變化不會(huì)對(duì)膜層組織、力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響。(TiZr)N硬質(zhì)膜的沉積工藝參數(shù)可以有較大的波動(dòng)范圍，沉積工藝窗口具有良好的可應(yīng)用性。

　　(TiZr)N硬質(zhì)膜是一種在硬度、紅硬性等性能方面明顯優(yōu)于TiN的硬質(zhì)反應(yīng)膜，近年來(lái)引起國(guó)內(nèi)外廣泛的研究興趣。這些研究主要集中于Ti\Zr 成分配比、制備方法、組織結(jié)構(gòu)等方面。而關(guān)于沉積工藝適應(yīng)性方面的研究還較少，(TiZr)N硬質(zhì)膜還沒(méi)有廣泛的實(shí)際應(yīng)用。作為一種硬質(zhì)膜層，其沉積工藝的適應(yīng)性或稱為沉積工藝窗口，對(duì)于在涂層刀具、涂層模具上的應(yīng)用而言，具有不可忽視的實(shí)際意義。因此，本文針對(duì)兩種具有較大差別成分配比的(TiZr)N 硬質(zhì)膜進(jìn)行工藝適應(yīng)性研究，以期確定(TiZr)N硬質(zhì)膜沉積工藝的適應(yīng)性。

　　試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

　　采用多弧離子鍍技術(shù)制備(TiZr)N硬質(zhì)膜。選用兩個(gè)不同方位且成90 度配置的弧源同時(shí)起弧沉積，其中一個(gè)弧源為純度99.9%的商用純鈦靶或者純鋯靶；另一個(gè)弧源為純度99.9%的商用鈦鋯合金靶，鈦鋯合金靶的原子比為Ti:Zr=50:50。選用打磨后的高速鋼塊作為基片。在正式沉積(TiZr)N硬質(zhì)膜之前，進(jìn)行離子轟擊清洗，即，當(dāng)鍍膜室背底真空度達(dá)到8.0×10^-3 Pa、溫度達(dá)到200℃時(shí)充入氬氣，使鍍膜室真空度達(dá)到2.5×10^-1 Pa，開(kāi)啟兩弧源，保持弧電流在55~56A，進(jìn)行離子轟擊10~12min，轟擊偏壓從350V 逐漸增加到400V；轟擊清洗之后進(jìn)行金屬過(guò)渡層的沉積，即，將鍍膜室內(nèi)的氬氣壓強(qiáng)保持在2.0×10^-1 Pa，鈦靶、鋯靶、和鈦鋯合金靶的弧電流均置于55 A~60 A，工件偏壓為190 V~200 V，沉積時(shí)間5min。然后，進(jìn)行(TiZr)N 硬質(zhì)膜的沉積，沉積偏壓選定為160±2V。(TiZr)N 硬質(zhì)膜具體沉積工藝如表1 所示。

表1 沉積工藝參數(shù)

　　(TiZr)N 硬質(zhì)膜層表面形貌、斷口形貌以及膜層成分采用HITACHIS-3400N 掃描電鏡(能譜)進(jìn)行分析；膜層相結(jié)構(gòu)采用X 射線衍射儀并結(jié)合Jade 6.5 電子PDF 卡片進(jìn)行確定。表面硬度測(cè)試采用HXD-1000TMB/LCD 型液晶屏顯示自動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度計(jì)，載荷為10gf，載荷保持時(shí)間為20s。附著力和摩擦系數(shù)采用多功能材料表面性能試驗(yàn)儀(MFT-4000)進(jìn)行測(cè)試。

　　結(jié)論

　　在采用Zr 靶與Ti 靶組合或者Zr 靶與Ti-Zr靶組合沉積(TiZr)N 硬質(zhì)膜的過(guò)程中，陰極弧電流、N2 流量等工藝參數(shù)的有限波動(dòng)不會(huì)對(duì)(TiZr)N 硬質(zhì)膜層表面成分、膜層組織、力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響，所制備的(TiZr)N 硬質(zhì)膜具有硬度較高、附著力強(qiáng)、摩擦系數(shù)低等特點(diǎn)，沉積工藝窗口具有良好的可應(yīng)用性。