一種低應力氮化鉻多層硬質薄膜的製備方法
2023-09-12 13:12:25
專利名稱：：一種低應力氮化鉻多層硬質薄膜的製備方法
技術領域：
：本發明涉及一種表面薄膜製備方法，尤其涉及一種低應力氮化鉻多層硬質薄膜的製備方法。
背景技術：
：氮化鉻薄膜的結構通常由金屬鍵和共價鍵混合而成，具有金屬晶體和共價晶體的特點，具有一系列優異的性能，包括優良的表面硬度、韌性、耐磨性和高溫穩定性，氮化鉻薄膜沉積速度高，有利於大批量的工業生產。氮化鉻薄膜是一種無鈦塗層，適於切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其它軟材料，化學穩定性好，不產生粘屑，適應現代製造業對金屬切削刀具的高技術要求，還可以廣泛應用於機械製造、汽車工業、紡織工業、地質鑽探、模具工業、航空航天等領域。氮化鉻覆膜材料的硬度和耐腐蝕性能由其膜的厚度和內應力決定。隨著膜厚度的增加，其內部存在的內應力增大，如果內應力得不到釋;^文，會嚴重影響薄膜的硬度和耐腐蝕性能，出現覆膜的開裂和剝落，甚至引起工件的變形。為了減低薄膜內應力，提高薄膜/工件的結合力，人們研製出了鉻/氮化鉻(Cr/CrN)膜。在Cr/CrN膜中，由於金屬Cr層能夠吸收塑性形變而避免薄膜過早失效，較硬的CrN層支持Cr層並阻擋了研磨的穿透，使得現有的Cr/CrN膜與純氮化鉻膜相比，呈現較低的內應力和界面應力，其硬度、耐磨損和耐腐蝕性能均高於單層Cr和CrN薄膜。並且由於Cr/CrN膜具有較低的應力，因此可以製備更厚的薄膜而不致產生開裂和剝落。但這種方法是靠金屬軟膜層的變形吸收部分應變，降低應力，由於Cr較軟，Cr/CrN膜整體硬度的提高受到限制。
發明內容本發明的目的就在於提供一種低應力氮化鉻多層硬質薄膜的製備方法，該方法操作簡單、成本低廉；採用該方法製備的氮化鉻薄膜厚度大，硬度高、膜基結合力良好、緻密度高、表面光潔和耐腐蝕性強。本發明實現其發明目的，所採用的技術方案為，一種低應力氮化鉻多層硬質薄膜的製備方法，採用非平衡磁控濺射設備進行，其具體作法是A、清洗將工件放置於非平衡磁控濺射設備的真空室的樣品臺上，關閉真空室，真空抽至3.Oxio-3pa後，通入氬氣，對工件進^f亍氬等離子濺射清洗。B、沉積鉻過渡層打開鉻靶賊射電源，在工件表面沉積50~150nm厚的鉻過渡層，然後關閉靶濺射電源。C、沉積多層氮化鉻薄膜真空室中通入純度為99.99%以上，壓強為0.65x10_1Pa~5x10—屮a的氬氣；同時在真空室中通入純度為99.99%以上，壓強為0.65x10_1Pa5x10，a的氮氣作為反應氣體；在工件上加-150-4000V的負偏壓，打開鉻靶濺射電源，沉積出厚度為35nm500nm的一層壓應力的氮化鉻薄膜；然後，在工件上加0~-IOOV的負偏壓，再次打開鉻靶濺射電源，再沉積出厚度為100nm500nm的一層拉應力的氮化鉻薄膜。與現有技術相比，本發明的有益效果是先在工件表面形成鉻的過渡層；再沉積氮化鉻薄膜層，即具有Cr/CrN層的優點。而沉積氮化^t各薄膜層是採用先高負偏壓後低負偏壓的方式先在較高的負偏壓作用下，沉積氮化鉻，高負偏壓使鉻和氮離子速度大，具有更高的能量，離子轟擊基片的能量較大，所製備的薄膜具有較大的壓應力，具有較高的硬度，也即形成一層壓應力氮化鉻薄膜；再在低的負偏壓作用下沉積氮化鉻，低負偏壓則沉積得到一層拉應力氮化鉻薄膜層，其表面平整、缺陷少、孔隙率小，耐腐蝕性能好。這樣，在工件表面上先後沉積出具有壓應力氮化鉻層和拉應力氮化鉻層，在兩層的交界面處，二者相互作用，應力得到有效釋放，因應力引起的微觀形變也得以協調，使整體氮化鉻薄膜的內應力得以緩解，避免了因過高的內應力而導致膜、基結合強度低，甚至氮化鉻薄膜與工件基體剝離的問題；製備出的氮化鉻硬質薄膜內應力低，厚度大，硬度高，抗腐蝕能力強，薄膜/工件結合強度高；該方法僅需要採用現有非平衡磁控濺射設備交替向工件施加高、低負偏壓即可，無需增加新的設備或材料，其工藝簡單，製作方便。上述的C步沉積多層氮化鉻薄膜的操作，重複2~40次(包括第一次)。這樣周期性重複調整工件上的負偏壓的幅值，可在工件表面上沉積出2-41層拉應力氮化鉻層和壓應力氮化鉻層，由於是交替沉積出拉應力氮化鉻層和壓應力氮化鉻層，在任意兩層的界面處，二者相互作用，應力得到釋放，從而可以做成數十層的氮化^^薄膜，大大增加其厚度，並且其薄膜整體硬度高、性能好。下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。圖la為用納米劃痕儀對本發明實施例1方法製備的低應力氮化鉻硬質薄膜測試，得到的膜與工件間的結合力測試結果。圖lb為圖la中的薄膜在劃痕測試後的光鏡圖，表示劃痕測試後該薄膜的表面形貌。圖2a為用納米劃痕4義對現有技術製備的單層氮化4各膜測試，得到的膜與工件間的結合力測試結果。圖2b為圖2a中的薄膜在劃痕測試後的光鏡圖，表示劃痕測試後該薄膜的表面形貌。圖la、圖2a中，橫軸代表劃痕測試時，薄膜上施加的法向載荷，單位mN,縱軸代表測出的薄膜的摩擦係數和劃痕測試過程中產生的聲信號。具體實施方式實施例1本發明的一種具體實施方式為，一種低應力氮化鉻多層硬質薄膜的製備方法，採用非平衡磁控濺射設備進行，其具體作法是A、清洗將經過丙酮和無水乙醇清洗的工件置於真空室內，以99.99%以上的純4各作為靶材，關閉真空室，抽真空至3.0xi，a時，通入氬氣，使真空室中氣壓達到l~2Pa,打開偏壓電源，在工件上施加-1500V的偏壓，輝光放電形成氬等離子體，對工件進行氬等離子體濺射清洗10分鐘；打開輩巴電源，施加3A的電流對靶材進行預濺射清洗5分鐘，除去靶材表面的氧化物和氮化物等雜質。B、鉻過渡層沉積清洗完成後，調整氬氣壓強為10—Ll0，a,在工件上施加佔空比為20°/的-1500V脈沖偏壓和-50V的直流偏壓，打開靶濺射電源，電流設定為2A,在工件表面沉積厚度100nm的鉻過渡層，然後依次關閉耙電源，直流偏壓，脈衝偏壓和氬氣流量控制系統。C、沉積多層氮化鉻薄膜真空室中通入純度為99.99%以上，壓強為0.65x10_1Pa~5xlO—'Pa的氬氣；同時在真空室中通入純度為99.99°/以上，壓強為0.65xl(TPa5x10-卞a的氮氣作為反應氣體；在工件上加-150-4000V的負偏壓，打開鉻靶'減射電源，沉積出厚度為35nm500nm的一層壓應力的氮化鉻薄膜；然後，在工件上加0~-IOOV的負偏壓，再次打開鉻靶濺射電源，再沉積出厚度為100nm50Onm的一層拉應力的氮化鉻薄膜。C步沉積多層氮化鉻薄膜的搡作，重複進行40次(包括第一次)。最後形成氮化鉻硬質薄膜的厚度為5400nm。實施例2~12實施例212與實施例1基本相同，所不同的是在C步氮化鉻薄膜沉積的過程中，工件偏壓幅值設置不同，沉積時間不同，沉積的厚度不同及重複次數不同，其具體數值如下表所示(為了更好地表示各個實施例不同的工藝條件，將實施例1的相關參數也列於下表中，表中的重複次數包括第一次)實施例1~12的工藝參數及沉積出的氮化鉻多層硬質薄膜的厚度tableseeoriginaldocumentpage6圖la為採用本發明實例1方法所製備的低應力氮化鉻硬質薄膜的結合力測試結果。在劃痕測試中載荷增大到1200mN時，摩擦係數和聲信號沒有發生明顯變化，說明薄膜和工件的結合力超過1200mN。從圖lb對應的光鏡圖上也可以看出，加載到1200mN的薄膜劃痕形貌沒有發現剝落，只有淺的擦傷；另經試驗測試其應力低於65.2MPa。圖2a為採用現有的非平衡》茲控'減射技術在-150V偏壓下製備的氮化4各單層膜的結合力測試結果。該圖表明，在劃痕測試的載荷增大過程中，當載荷加大到950mN時，摩擦係數和聲信號發生劇烈變化，表明此時薄膜已劃穿，從基體剝落，完全失效。相應地對該薄膜進行劃痕測試後的圖2b的光鏡圖，也表明在大約950mN位置處薄膜失效。顯然，這樣的結果說明現有的非平衡磁控賊射技術在-150V偏壓下製備的氮化鉻單層薄膜的結合力小於本發明方法製備的低應力氮化鉻硬質多層薄膜的結合力。此外，經測試現有的非平衡磁控'減射技術在上述-150V偏壓下製備的氮化^絡單層薄膜壓應力為496.25Mpa，大於本發明方法製備的氮化鉻多層硬質薄膜的應力(65.2MPa)。總之，以上實驗結果證明，本發明方法製備的低應力氮化鉻多層硬質薄膜，其內應力小，膜、基結合力高、緻密度高。權利要求1、一種低應力氮化鉻多層硬質薄膜的製備方法，採用非平衡磁控濺射設備進行，其具體作法是A、清洗將工件放置於非平衡磁控濺射設備的真空室的樣品臺上，關閉真空室，真空抽至3.0×10-3Pa後，通入氬氣，對工件進行氬等離子濺射清洗。B、沉積鉻過渡層打開鉻靶濺射電源，在工件表面沉積50～150nm厚的鉻過渡層，然後關閉靶濺射電源；C、沉積多層氮化鉻薄膜真空室中通入純度為99.99％以上，壓強為0.65×10-1Pa～5×10-1Pa的氬氣；同時在真空室中通入純度為99.99％以上，壓強為0.65×10-1Pa～5×10-1Pa的氮氣作為反應氣體；在工件上加-150～-4000V的負偏壓，打開鉻靶濺射電源，沉積出厚度為35nm～500nm的一層壓應力的氮化鉻薄膜；然後，在工件上加0～-100V的負偏壓，再次打開鉻靶濺射電源，再沉積出厚度為100nm～500nm的一層拉應力的氮化鉻薄膜。2、如權利要求1所述的一種低應力氮化鉻多層硬質薄膜的製備方法，其特徵在於所述的C步沉積多層氮化鉻薄膜的操作，重複240次。全文摘要一種低應力氮化鉻多層硬質薄膜的製備方法，採用非平衡磁控濺射設備進行，其具體作法是A.清洗；B.沉積鉻過渡層；C.沉積多層氮化鉻薄膜。真空室中通入高純度壓強為0.65×10-1Pa～5×10-1Pa的氬氣；同時在真空室中高純度壓強為0.65×10-1～5×10-1Pa的氮氣作為反應氣體；先在工件上加-150～-4000V的負偏壓，打開鉻靶濺射電源，沉積一層壓應力氮化鉻薄膜；然後，在工件上加0～-100V的負偏壓，再次打開鉻靶濺射電源，再沉積一層拉應力的氮化鉻薄膜，重複2～40次。該方法操作簡單、成本低廉；採用該方法製備的氮化鉻薄膜厚度大，硬度高、膜基結合力良好、緻密度高、表面光潔和耐腐蝕性強。文檔編號C23C14/35GK101338412SQ200810045618公開日2009年1月7日申請日期2008年7月23日優先權日2008年7月23日發明者冷永祥,吳燕萍,鴻孫,蘋楊,進王,陳俊英,楠黃申請人:西南交通大學