[发明专利]一种TaVN复合涂层及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种薄膜及其制备方法，具体是一种高硬度、低摩擦系数的TaVN复合涂层，属于陶瓷涂层技术领域。

背景技术

在制造行业，优先考虑的问题之一是如何提高机加工过程的效率，在如干式加工等的极端服役条件下，对诸如硬质工具钢等难加工材料的机加工仍然是一个挑战。高性能切削加工的主要特征是与加工件发生粘着反应的摩擦表面上具有较高的温度和应力，以及易于受到来自环境的剧烈氧化侵蚀，而且高速切削时，温度可上升到800～1000℃，这些苛刻和极端的外部条件，使得在摩擦的刀具表面产生剧烈的局部塑性变形、相转变、质量传递和化学反应等综合现象，这些极端的工作条件导致切削工具的过早失效。因此，如何设计一种薄膜材料能满足极端的服役条件，一直是各国学者追求的目标。

TaN作为一种过度金属氮化物，具有较高的熔点（3380℃）和较高的硬度（1450HV），适合用作耐磨材料，可应用在工模具等表面作为强化耐磨减摩涂层。但为了进一步改善TaN薄膜表面的综合性能，如硬度、抗氧化性和耐磨性等，一般在其原料中再加入另一种过渡金属形成多组分薄膜，如TiCrN、TiZrN、和TaZrN等。

经对现有技术的文献检索发现，对TaN基薄膜的研究目前主要集中在其电学方面的性能。经对现有技术的进一步检索，目前尚未发现与本发明技术主题相同或者相似的报道。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述问题，提供一种高硬度、低摩擦系数的TaVN复合涂层，使其适用于高速切削和干式切削，且制备方法便于高效实施。

本发明是通过以下技术方案实现的：

TaVN复合涂层，采用Ta靶（纯度99.9%）和V靶（纯度99.9%）共溅射，沉积在金属、硬质合金或陶瓷的基体上得到，TaVN膜层的厚度为1～3μm。这种涂层的硬度为30～34GPa，常温下的摩擦系数最低为0.56，高温下的摩擦系数最低为0.5。

其中V元素的原子百分比为0～46.7at%，结合硬度和摩擦系数得出更优范围为18.25～46.7at%，更佳为18.25～32.8at%。

本发明提供的TaVN复合涂层可采用反应溅射方法制备，具体为：采用反应磁控溅射技术通过射频阴极溅射金属Ta和V，并与真空室中Ar气和N₂气混合气体中的N₂气反应生成TaVN，通过调节加在V靶的溅射功率，制备不同V含量的TaVN薄膜，容易控制涂层中各组分的含量，便于涂层的制备。

具体而言是：

（1）以金属、硬质合金或陶瓷为基片，洗净、超声、晾干后固定在真空室中的可旋转基片架上；

（2）将高纯Ta靶和V靶分别安装在两个射频溅射枪上；

（3）真空室抽真空，向真空室中通入高纯度的Ar和N₂的混合气体，其中氩气分压为(0.5-1.5)×10^-1Pa，氮气分压为(2-4)×10^-2Pa，工作气压保持在0.3Pa；

（4）Ta靶功率固定为100W，V靶功率分别为40-100W，先在基片上沉积纯Ta层作为过渡层，然后再沉积1～3μm的TaVN复合膜。

得到的TaVN复合涂层兼具高硬度和低摩擦系数的性能，对于工业化生产中用作高速切削和干式切削的刀具保护涂层以及其他耐磨涂层，具有很大的应用价值。

附图说明

图1为本发明TaVN复合膜的微结构与V含量的关系图；单一TaN薄膜呈δ-NaCl面心立方结构，沿（200）面择优。TaVN薄膜具有与单层TaN薄膜相似的面心立方结构，随着V含量的增加各衍射峰整体向大角度方向偏移，择优取向逐渐由（200）转变为（111）；

图2为本发明TaVN复合膜的硬度与V含量的关系图；添加V元素后形成的TaVN复合膜的硬度均高于单层TaN薄膜，固溶强化产生的晶格畸变是TaVN复合膜显微硬度增加的原因；

图3为常温下，本发明TaVN复合膜的平均摩擦系数与V含量的关系图。可见，在常温下随着V含量的增加，TaVN复合膜的摩擦系数降低；

图4为本发明TaVN复合膜中V含量为18.25at%的复合膜的平均摩擦系数与实验温度的关系图。可见，在400℃以上，随着温度的升高，复合膜的摩擦系数也降低。主要原因是摩擦接触中形成了具有自润滑作用的Magnéli相V₂O₅。

具体实施方式