[发明专利]TiWN硬质纳米结构薄膜及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种涂层及其制备方法，特别是一种TiWN硬质纳米结构复合膜及制备方法，属于陶瓷涂层技术领域。

背景技术

随着现代加工技术的发展，特别是高速、干式切削等加工方式的出现，要求应用于刀具的涂层具有更高的硬度，并兼具优良的摩擦磨损性能。然而，现有的刀具涂层虽然具有较高硬度，但它们的摩擦磨损性能都不理想，无法满足要求。氮化钛（TiN）薄膜具有耐磨性高、硬度大、化学性质稳定高等优异性能而受到研究者关注。近年来不少学者研究了TiAlN、TiVN、TiCN等体系的力学性能和摩擦磨损性能，发现添加第三种元素后，力学性能及摩擦磨损性能均得到改善。TiWN薄膜因具有高阻抗、耐腐蚀性强等特点，被广泛用作电阻发射器涂层材料。目前，市场上还没有发现被用作刀具涂层材料。因此，与当代加工制造业所要求的理想高硬度耐磨损涂层相比，此种硬质涂层具有很好的研究价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种TiWN硬质纳米结构薄膜及制备方法，克服现有TiN系硬质纳米结构复合膜及多层膜摩擦磨损性能不理想等缺点，具有较高生产效率，兼具高硬度和优异的摩擦磨损性能，可作为高速、干式切削的纳米结构硬质薄膜。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种TiWN硬质纳米结构薄膜，是采用双靶共焦射频反应溅射法沉积在硬质合金或陶瓷基体上的，薄膜分子式表示为Ti(W，N)，厚度在2-3μm，Ti靶溅射功率230-280W，W靶溅射功率0-120W;当Ti靶功率250W，W靶功率90W（W含量为35.29at.%）时，薄膜具有高硬度(30.67GPa)、最佳的摩擦磨损性能（摩擦系数和磨损率分别为0.531和3.662×10^-8mm³·N^-1mm^-1）。

一种TiWN硬质纳米结构薄膜的制备方法，利用双靶共焦射频反应溅射法在硬质合金或陶瓷基体上沉积得到，沉积时，真空度优于3.0×10^-5Pa,以氩气起弧，氮气为反应气体进行沉积，溅射气压0.3Pa，氩氮流量比10:（1-3），Ti靶溅射功率200-280W，W靶溅射功率0-120W较佳。当Ti靶溅射功率250W，W靶溅射功率0-120W，较佳为30-120W，更佳为60-120W，最佳为90W。当W靶功率为90W（W含量为35.29at.%）时，薄膜硬度高达30.67GPa，干切削实验下，摩擦系数和磨损率为0.531和3.662×10^-8mm³·N^-1mm^-1。

在基体上预先沉积纯Ti作为过渡层。

本发明的TiWN硬质纳米结构薄膜是采用高纯Ti靶和W靶共焦射频反应溅射，沉积在硬质合金或陶瓷基体上制备得到的，薄膜厚度在2-3μm，溅射反应过程中，W靶功率在0-120W之间，当W靶功率为90W（W含量为35.29at.%）时，薄膜的硬度高达30.67GPa，干切削实验下，摩擦系数和磨损率为0.531和3.662×10^-8mm³·N^-1mm^-1，这种硬质涂层综合具备了高硬度，高耐磨性的优良特点。

附图说明：

图1为本发明实施例所得TiWN薄膜中Ti和W原子百分含量关系示意图。由于实验仪器对N原子含量检测不准确，因此设定Ti和W原子总含量为100%。随着W靶功率升高，薄膜中W原子含量逐渐增大，而Ti原子含量相应地减少。当W靶功率从0W逐渐升至30W，60W，90W和120W时，薄膜中W原子百分含量分别为0at.%，10.19at.%，25.42at.%，35.29at.%和46.91at.%。

图2为本发明实施例所得TiWN薄膜的XRD图谱。由图可知，TiN薄膜由fcc结构的TiN相和Ti相组成（因此发明人根据薄膜的主要成分，将其分子式定义为Ti（W，N），简称为TiWN薄膜）。当W含量为10.19at.%时，TiWN复合膜由fcc结构的TiWN相和Ti相组成；当W含量为25.42at.%时，复合膜中除TiWN相和Ti相，还出现了Ti₂N新相；而当W含量为35.29at.%时，Ti相消失，W₂N和β-W新相生成；当W含量增加到46.91at.%时，薄膜由TiWN，Ti₂N，W₂N和β-W相组成。