氮氣流量對電弧離子鍍CrN薄膜組織結(jié)構(gòu)和性能的影響

　　利用電弧離子鍍技術在高速鋼基體上于不同氮氣流量條件下制備CrN薄膜樣品，通過納米壓痕儀、XP-2臺階儀、SEM和XRD測試分析了薄膜的硬度、彈性模量、厚度、表面形貌和物相結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，氮氣流量對CrN 薄膜的組織結(jié)構(gòu)和力學性能都具有較為明顯的影響。

　　CrN薄膜具有很高的硬度和耐磨性，高溫抗氧化性和耐腐蝕性較強，不但可以作為耐磨涂層用于工業(yè)模具和切削工具的表面強化，在表面防腐蝕和裝飾等領域也有很重要的用途。與在工業(yè)中廣泛應用的TiN 薄膜相比，真空技術網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為CrN薄膜的硬度更高，耐腐蝕性更好，而且CrN薄膜有利于大批量工業(yè)生產(chǎn)，更加具有實用價值。

　　電弧離子鍍的特點是高效率、低成本和高離化率，因而被用于沉積金屬、合金和化合物等。在電弧沉積中，基體可以保持在比較低的溫度下，這樣幾乎不會影響材料的機械性能，同時能夠大幅度提高硬度和耐磨損性能。為了提高膜基結(jié)合力，在基體和膜層之間還需要沉積金屬過渡層。一般的CrN 膜層都具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)，膜層的成分比較均勻。

　　本文采用電弧離子鍍技術沉積制備了高質(zhì)量的CrN 薄膜，在保持其它鍍膜參數(shù)基本不變的條件下研究了不同氮氣流量對CrN 薄膜硬度、厚度(沉積速率)和晶粒大小的影響，并對各樣品表面形貌作了觀測。

1、實驗方法

　　采用拋光后的高速鋼作為基體材料。用無水乙醇將試樣超聲波清洗20 min。然后用無水乙醇和丙酮溶液擦拭基體表面，烘干，反復2 次后將其置于SA- 700 6T 電弧離子鍍膜系統(tǒng)的真空室內(nèi)，真空室的本底真空為2.3×10- 3 Pa。沉積薄膜前基體預熱到300℃左右，以除去表面吸附物，再充氬氣到5 Pa~10 Pa，在工件上加負偏壓500 V2 min~3 min 后升到900 V。使氬氣在低壓放電的情況下形成淡紫色等離子體輝光，在電場作用下，氬離子對工件進行轟擊清洗約15 min。輝光清洗結(jié)束后，氬氣降至2 Pa 左右，在工件上加900 V 負偏壓，點燃Cr 靶，再利用高能量金屬離子對基體進行轟擊約5 min，沉積Cr 納米過濾層以提高膜基結(jié)合強度。實驗薄膜的沉積時間均為30 min。薄膜合成過程中的各工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 CrN 薄膜制備工藝參數(shù)

　　采用X 射線衍射儀對薄膜的物相結(jié)構(gòu)進行了分析;用掃描電子顯微鏡對鍍層表面形貌進行了觀測;利用XP- 2 臺階儀測量了薄膜厚度。

2、實驗結(jié)果與討論

2.1、薄膜的結(jié)構(gòu)分析

　　分別對不同氮氣流量情況下制備的CrN 薄膜進行了X 射線衍射分析。結(jié)果表明，所有情況下獲得的CrN 都具有NaCl 型面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)，各樣品的XRD 衍射譜基本相同。作為例子，圖1 給出了N2 為173 sccm 時于高速鋼基體上鍍制的CrN 薄膜的XRD 衍射圖譜。從圖中可以看出CrN 薄膜的兩個主要面即(200)和(220)的衍射峰，其中(220)晶面擇優(yōu)生長，F(xiàn)e(211)衍射峰來自高速鋼基體。人們對薄膜的擇優(yōu)取向曾經(jīng)做了一些研究，不過，不同的作者獲得的結(jié)果并不一致，歸納起來，主要與沉積速率、離化率、離子轟擊作用以及偏壓的大小和形式有關，但迄今為止，影響擇優(yōu)取向的決定性因素還不完全清楚。

圖1 1 號CrN 薄膜樣品的X 射線衍射譜

2.2、薄膜表面形貌

　　CrN薄膜的生長依靠N2的離化和Cr的蒸發(fā)離化。N2的離化率越高，越容易形成CrN 相。不同N2分壓的情況下，各組樣品的表面形貌如圖2 所示，膜層表面分布均勻，未出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，但在膜表面還可觀察到大小不一的圓形顆粒。普遍認為是電弧在靶表面燃燒時因溫度非常高導致一些微小的液滴產(chǎn)生，這些液滴隨后以固相顆粒形態(tài)附著在涂層表面，其硬度低于CrN膜層。這些軟點對涂層刀具的工作性能是有害的，會降低刀具表面的光潔度。從圖2 可以觀察到，CrN涂層表面顆粒最大直徑為1μm~2μm，隨著氮氣流量增加，薄膜表面的熔滴顆粒數(shù)量減少，顆粒的尺寸也減小，呈現(xiàn)出較為平整的表面形貌。

圖2 不同氮氣流量下的CrN形貌

2.3、薄膜沉積速率

　　薄膜沉積速率可以根據(jù)公式計算：Rd=Tf/t，式中Rd 為薄膜的沉積速率，Tf 為薄膜的厚度，t為薄膜沉積時間。為此，首先要測試不同氮氣流量下制備的CrN 薄膜的厚度。圖3 反映的是氮氣流量為265 sccm下所制備的薄膜的厚度曲線。圖中左邊是制備的CrN 薄膜輪廓，可以看出，表面有些粗糙，是薄膜表面大顆粒污染的反映，右邊較平滑的部分是基體。由于沉積時間一定，薄膜的厚度就直接反映沉積速率。圖4 給出了各種氮氣流量下通過XP- 2 臺階儀測得的薄膜厚度換算成的沉積速率。各組樣品中的CrN薄膜厚度最厚為1980nm(1 號樣品)，最薄為630nm(3號樣品)。從圖4中不難看出，隨著氮氣的增加，薄膜厚度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。說明氮氣流量對薄膜的沉積速率有一定的影響。

圖3 N2 流量為265sccm 時CrN 薄膜的臺階測試曲線

圖4 膜厚與氮氣流量的關系圖

2.4、薄膜硬度

　　圖5給出了本次實驗中在不同氮氣流量條件下制備的CrN 薄膜的硬度關系。從圖中可以看出：所制備薄膜硬度最高值為22.292 GPa(1號樣品)，硬度最低值為15.297 GPa(4號樣品)。結(jié)果表明：氮氣流量對薄膜硬度的影響表現(xiàn)為隨著氮氣流量的增大，CrN薄膜硬度逐漸降低。薄膜材料的硬度一般與其沉積工藝及其沉積薄膜的組織結(jié)構(gòu)密切相關，在本實驗條件下，由于N2 流量增大，沉積氣壓升高，粒子跟更多的氣體分子碰撞而使其自身的平均自由程減小，沉積能量降低，組織不夠致密，導致薄膜納米硬度減小。

　　CrN 薄膜的彈性模量先隨N2流量的增加而增加的關系見圖6，在N2 流量為206sccm的時候達到峰值為302.803GPa, 之后隨著N2 流量增加而逐漸降低。由圖5 可知，N2流量為206sccm時，CrN 薄膜的顯微硬度也相對較高，綜合力學性能最好。

圖5 各薄膜樣品硬度

圖6 CrN薄膜彈性模量隨N2 流量變化曲線

3、結(jié)論

　　(1) 通過電弧離子鍍方法在高速鋼基體上于不同氮氣流量條件下制備的CrN 薄膜，其硬度隨氮氣流量增加呈現(xiàn)遞減的趨勢，厚度則出現(xiàn)先減小后增加的走向。當?shù)獨饬髁繛?06 sccm時，CrN薄膜的綜合力學性能最好。

　　(2) 不同氮氣流量情況下制備的CrN薄膜均具有NaCl型面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)。在較大N2流量條件下獲得的CrN薄膜表面大顆粒數(shù)量和尺寸相對較小，具有更好的表面形貌。