[发明专利]TaVCN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TaVCN硬质纳米结构薄膜及制备方法，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，除了要求涂层具有普通切削刀具涂层应有的高硬度、优异的高温抗氧化性能外，更需要涂层具有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。氮化钽(TaN)薄膜具有高熔点、高硬度、良好的生物相容性等优异性能，可广泛用于集成电路构件、医学领域等中。溅射法制备的TaN薄膜硬度高达到22GPa，但其摩擦系数较高，约为0.7，与现代加工技术所要求的高硬度耐磨涂层如TiN相比，TaN薄膜摩擦磨损性能较差，因而市场上没有发现二元的TaN薄膜用作切削刀具的保护涂层。向TaN薄膜中添加C元素制备TaCN薄膜，可以改善TaCN薄膜的室温摩擦性能。然而，其高温摩擦系数仍然较高。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种TaVCN硬质纳米结构薄膜及制备方法。本发明克服现有TaCN硬质纳米结构复合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验的：

一种TaVCN硬质纳米结构薄膜，薄膜采用多靶共焦射频反应溅射法在硬质合金(如高速钢、单晶硅片)或陶瓷基体上制备得到，薄膜分子式为(Ta,V)CN，薄膜厚度在1-3μm。

一种TaVCN硬质纳米结构薄膜的制备方法，是利用多靶共焦射频反应法在硬质合金或陶瓷基体上沉积TaVCN硬质纳米结构薄膜，薄膜分子式为(Ta,V)CN，厚度在1-3μm，V含量为0-40at.%。沉积时，真空度优于3.0×10-3Pa,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:（2-5），Ta靶功率为80-150W，C靶功率为40-60W，V靶功率为0-100W。当V含量为26.85at.%时，复合膜的硬度达到最大值，为32GPa；当V含量为32.6at.%时，室温摩擦系数低至0.21；对V含量为32.6at.%的TaVCN复合膜进行高温干切削实验（室温至700℃），在700℃时摩擦系数最低，为0.43。

前述的TaVCN硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于，在基体上预先沉积纯Ta作为过渡层。

本发明的TaVCN硬质纳米结构薄膜是采用高纯Ta靶，C靶和V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1-3μm。溅射反应过程中，V含量在0-40at.%之间，在V含量为26.85at.%时硬度高达到32GPa；在V含量为32.6at.%时室温摩擦系数低至0.21；；对V含量为32.6at.%的TaVCN复合膜进行高温干切削实验（室温至700℃），在700℃时摩擦系数最低，为0.43。

附图说明

图1为本发明实施例制备的TaVCN薄膜中V含量与靶功率的变化关系。由图可知，V含量随靶功率的增加而增加；

图2为本发明实施例制备的TaVCN复合膜硬度与V含量的变化关系。Ta靶功率100W，C靶功率为60W时，复合膜的硬度随V含量的增加先升高后降低。当V含量为26.85at.%时，硬度最高为32GPa；当V含量高于26.85at.%时，薄膜的显微硬度逐渐下降；

图3为室温下本发明实施例制备的TaVCN复合膜的摩擦系数与V含量的变化关系。可见，TaVCN复合膜的平均摩擦系数随V含量的增加先减小后增大；当V含量为32.6at%时，平均摩擦系数达到最小值，为0.21；

图4为本发明实施例制备的TaVCN复合膜干切削实验下平均摩擦系数随摩擦温度变化关系。可见，随温度升高，复合膜的平均摩擦系数均先升高后降低，700℃时，摩擦系数为0.43。

图1-图4所考察的情况是固定Ta靶功率100W，C靶功率为60W时的前提下实施的。

具体实施方法

本发明的制备方法，具体如下：