W含量對(duì)CrSiWN薄膜微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)及摩擦性能的影響

　　采用射頻磁控濺射制備不同W含量的CrSiWN薄膜。利用X射線衍射、掃描電鏡、能量散射譜、納米壓痕儀和摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)薄膜的相結(jié)構(gòu)、形貌、成分和摩擦性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，CrSiWN薄膜為fcc結(jié)構(gòu)，具有(111)擇優(yōu)取向，薄膜主要為W固溶在CrSiN薄膜中的置換固溶體。隨W含量的升高，薄膜晶格常數(shù)及晶粒尺寸逐漸增大，抵抗塑性變形能力(H3/E2)逐漸降低。由于固溶強(qiáng)化和晶粒增大的共同作用，薄膜顯微硬度隨W含量的增加先升高后降低。由于薄膜抵抗塑性變形能力隨W含量逐漸降低，導(dǎo)致薄膜平均摩擦系數(shù)逐漸增高。當(dāng)W含量為13.20%時(shí)，薄膜綜合性能最優(yōu)。

　　目前，改良刀具力學(xué)及摩擦性能的重要途徑之一便是薄膜技術(shù)。研究表明，過渡金屬的氮化物涂層具有較高的硬度和優(yōu)異的摩擦磨損性能，其中，由于具有較高的硬度及良好的穩(wěn)定性，CrN薄膜便是具有代表性的二元薄膜體系，現(xiàn)已廣泛的應(yīng)用于刀具制造業(yè)中。

　　隨著現(xiàn)代加工技術(shù)的發(fā)展，要求應(yīng)用于刀具的涂層具有更高的硬度，并兼具優(yōu)良的摩擦磨損性等苛刻的服役要求，傳統(tǒng)的CrN涂層已不能完全勝任。因此，人們開始嘗試將某些金屬元素引入CrN系涂層中以期能改良其性能。最近，國內(nèi)外學(xué)者在CrN薄膜中引入W、Si等元素制備三元CrXN薄膜(X=W、Si)，研究表明，CrXN薄膜較之CrN薄膜具有更高的硬度和更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性能。例如，同等試驗(yàn)條件下，CrSiN薄膜平均摩擦系數(shù)比CrN下降0.3，體現(xiàn)出良好的減磨效果;CrWN薄膜顯微硬度較之CrN有大幅提高。

　　目前，國內(nèi)外學(xué)者雖對(duì)三元CrXN薄膜的微觀組織相關(guān)性能進(jìn)行研究，但是，對(duì)CrN基四元薄膜的研究鮮有涉及。通過以上綜述知道，Si元素的引入主要提升CrN基薄膜的減磨性能;W元素的引入主要提升CrN基薄膜的力學(xué)性能。由此，有理由相信，Si及W元素的共同引入能夠同時(shí)改良CrN基薄膜的力學(xué)及摩擦性能，然而，目前對(duì)CrSiWN薄膜的研究鮮有報(bào)道。

　　本文采用射頻磁控濺射的方法來制備一系列W含量不同的CrSiWN薄膜，對(duì)其微結(jié)構(gòu)、力學(xué)及摩擦性能等進(jìn)行研究。

1、實(shí)驗(yàn)方法

　　采用直徑為75mm，純度分別為99.95%的Cr靶、99.9%的W靶和純度為99.9%的Si靶，用JGP450復(fù)合型高真空多靶磁控濺射設(shè)備在單晶Si和不銹鋼基底上制備不同成分的薄膜，其中，基底為單晶Si的薄膜用于相結(jié)構(gòu)、成分和顯微硬度測試，不銹鋼基底的薄膜用于摩擦性能測試。實(shí)驗(yàn)過程如下:將基底材料依次在無水乙醇和丙酮中超聲波清洗15min，用熱空氣吹干后裝入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基底架上，固定靶到基底的距離固定為11cm;抽真空使真空室本底真空度優(yōu)于6.0×10-4Pa后通入純度為99.999%的高純Ar起弧，用擋板遮擋基底，對(duì)各靶進(jìn)行10min預(yù)濺射以除去靶材表面的氧化物和雜質(zhì);移去擋板，然后通入純度為99.999%的高純N2作為反應(yīng)氣體進(jìn)行沉積，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)獲得不同W含量的CrSiWN薄膜，為了便于比較分析，還制備了CrSiN薄膜。制備CrSiN和CrSiWN薄膜前，在基底上預(yù)濺射約200nm的Cr過渡層，以增強(qiáng)膜基結(jié)合力，Ar與N2的流量比值10∶4，真空室氣壓0.3Pa，濺射時(shí)間120min，Cr靶功率200W，Si靶120W，通過調(diào)整W靶的功率，獲得厚度為2μm左右的CrSiN和不同W含量(原子分?jǐn)?shù))的CrSiWN薄膜。采用XRD-6000型X射線衍射(XRD，CuKα)儀分析薄膜的微觀組織，電壓為40kV，電流為35mA。采用CPX+NHT2+MST納米壓痕儀/劃痕儀測試薄膜的顯微硬度和膜基結(jié)合力。測薄膜硬度時(shí)，為確保結(jié)果的可靠性，對(duì)每一試樣選擇9點(diǎn)進(jìn)行測試，這9點(diǎn)成3×3的陣列分布，間距10μm。一般而言，當(dāng)壓痕深度小于薄膜厚度的10%的時(shí)候，測試結(jié)果不受基底的影響，硬度測試的壓痕深度為60～90nm，保證了薄膜的力學(xué)性能不受基片的影響。采用JEM-6480型掃描電子顯微鏡(SEM)及其附配的INCA型能譜(EDS)儀觀察薄膜的表面形貌并對(duì)薄膜中Cr、Si和W含量進(jìn)行分析。采用UMT-2CETR摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試薄膜的摩擦性能，摩擦形式為球-盤式圓周摩擦，摩擦頭為直徑9.38mm的Al2O3球，載荷3N，相對(duì)轉(zhuǎn)速50r/min，摩擦半徑4mm，摩擦?xí)r間30min。

　　1.1、CrSiWN薄膜的微觀組織及力學(xué)性能

　　圖1給出了CrSiWN薄膜中Cr、Si和W的相對(duì)原子含量隨W靶功率的變化�？芍�，隨著W靶功率的升高，CrSiWN薄膜中W含量逐漸升高，Si含量基本保持不變，Cr含量逐漸降低。這是因?yàn)椋�在一定范圍�?nèi)，濺射產(chǎn)額隨著入射離子能量的增大而逐漸增加，濺射功率增加致使Ar+離子的能量增大，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)樣品表面的濺射粒子數(shù)增加，故導(dǎo)致W靶功率與薄膜沉積速率與膜厚呈上述變化。文章以下所述W含量均為W相對(duì)于(W+Cr+Si)的原子百分含量。

圖1 CrSiWN薄膜中Cr、Si和W的相對(duì)原子含量隨W靶功率的變化

　　圖2為不同W含量的CrSiWN薄膜XRD圖譜。圖從可見，CrSiN薄膜呈面心立方結(jié)構(gòu)，主要有(111)和(200)兩個(gè)衍射峰，具有(200)擇優(yōu)取向。CrSiWN薄膜與CrSiN薄膜結(jié)構(gòu)相似，但擇優(yōu)取向發(fā)生了轉(zhuǎn)變，在(111)晶面擇優(yōu)生長，且(111)衍射峰發(fā)生偏移。

圖2 不同W含量的CrSiWN薄膜XRD譜

2、結(jié)論

　　(1)CrSiWN薄膜為fcc結(jié)構(gòu)具有(111)擇優(yōu)取向，隨W含量的升高，薄膜晶格常數(shù)及晶粒尺寸逐漸增大，薄膜主要為W固溶在CrSiN薄膜中的置換固溶體。

　　(2)CrSiWN薄膜顯微硬度和彈性模量隨W含量的增加先升高后降低，在XW=18.92%時(shí)達(dá)到最大值，分別為31.11和380.328GPa，這是由固溶強(qiáng)化和晶粒增大的共同作用所致;CrSiWN薄膜抵抗塑性變形能力隨W含量的升高逐漸降低。

　　(3)CrSiWN薄膜室溫平均摩擦系數(shù)隨W含量的升高逐漸增大，這是由于隨W含量的升高，薄膜抵抗塑性變形能力逐漸降低，所以，在摩擦副的作用下，磨痕表面裂紋數(shù)量隨W含量的升高而逐漸增多，致使薄膜磨痕與摩擦副之間的相互作用隨W含量的升高逐漸趨于惡劣，最終導(dǎo)致薄膜平均摩擦系數(shù)隨W含量升高逐漸增大。

　　(4)當(dāng)W含量為13.20%時(shí)，CrSiWN薄膜綜合性能最優(yōu)。