一種V-Si-N納米複合硬質塗層及其製備方法

2023-06-02 00:23:16 2

專利名稱：一種V-Si-N納米複合硬質塗層及其製備方法
技術領域：
本發明涉及一種硬質塗層及其製備領域，尤其涉及一種V-Si-N納米複合硬質塗層及其製備方法。
背景技術：
運用氣相沉積技術，將硬質塗層施加於刀具的表面，刀具如燒結碳化物硬質合金、 高速工具鋼、陶瓷等，已被證明可以顯著提高刀具的壽命，並能有效改善工件的切削質量， 硬質塗層特別適合施加於合金刀具，用於提高合金刀具的壽命和改善工件的切削質量。這些硬質塗層最典型的代表是鈦基二元及多元氮化物，如氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)^i 鋁氮(TiAlN)、鈦矽氮(TiSiN)、鈦鋁碳氮(TiAlCN)、鈦鋁矽氮(TiAlSiN)等。其它的硬質塗層包括但不限於，氧化鋁(Al2O3)、氮化鉻(CrN)、鋁鈦氮(AlTiN)、鋁鉻氮(AlCrN)等。針對具體的應用場合，這些硬質塗層可以以單層、多層、疊層、多相複合等多種方式在刀具上加以使用。通常情況下，沉積上述塗層的刀具在切削過程中與工件之間的摩擦係數比較大 (通常大於0. 5，甚至大於1)。在切削的過程中，過大的摩擦係數會導致切削區溫度高、刀具磨損快、工件切削表面質量不高。在切削鈦合金、鎳合金等難加工合金時，這一缺點更為明顯，並且還有較嚴重的粘刀現象，甚至導致切削困難或加工速度很低。論文「超硬塗層和納米複合塗層」(作者S. Veprek等，2005年發表在Thin Solid Films期刊，第476卷，第1 四頁)公開了一種V1-JixN塗層，用等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)方法製備，Si的含量χ為0 0. 13，該V^SixN塗層的硬度在20 57GPa的範圍內。由於PECVD的製備採用SiH4和VCl4為原料，氯原子和氫原子在高溫下進入基體材料，容易造成基體晶間腐蝕，使刀具變脆，同時該塗層中的氫原子與沉積塗層的其他原子之間形成弱氫鍵，使塗層變脆，導致塗層的摩擦係數變大。此外，PECVD採用有毒的氣體為原料，增加了環境汙染的可能性，存在著技術問題。

發明內容
本發明提供了一種V-Si-N納米複合硬質塗層的製備方法，其可操作性強、可控性好、易於實施。一種V-Si-N納米複合硬質塗層的製備方法，包括以下步驟(1)基體清洗；(2)沉積塗層在真空室中，將Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si 靶和V靶到基體的距離均為5cm 10cm，Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，進行預濺射，再通入N2氣，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，在350°C 600°C和0. 3Pa 1. OPa條件下，對基體濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，得到V-Si-N納米複合硬質塗層；所述的Si靶的功率密度為0. 5 2. 5ff/cm2, V靶的功率密度為2. 5 6. 5ff/cm2,所述的基體的偏壓為-30V -70V。步驟(1)中，所述的基體清洗可採用本領域常用的基體清洗方法。為了取得本發明更好的效果，以下作為本發明的優選步驟(1)中，所述的基體清洗包括以下步驟先將基體放入Borer公司生產的型號為HT1401的洗滌劑中在60 70°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，然後放入Borer公司生產的型號為HT1233的洗滌劑中在50 60°C 的溫度下超聲清洗3 10分鐘，再在45 55°C的去離子水中超聲清洗0. 5 3分鐘，最後將清洗後的基體放入95 105°C的真空乾燥箱中烘烤3 10分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上；或者，先將基體放入丙酮中在60 70°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，然後放入乙醇中在50 60°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，再在45 55°C的去離子水中超聲清洗0. 5 3分鐘，最後將清洗後的基體放入95 105°C的真空乾燥箱中烘烤3 10分鐘， 烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上。步驟(1)還包括在基體沉積塗層之前，採用高壓隊氣對基體進行清洗，以清洗掉基體表面有可能附著的氣體或微塵顆粒，保持基體足夠的清潔度。步驟⑵中，所述的真空室的本底壓強小於等於5 X10_5Pa，一般壓強越小越好，可以減少濺射過程中濺射粒子與氣體分子間的碰撞，同時能夠減少沉積過程中氣體分子進入塗層中成為雜質，提高本發明V-Si-N納米複合硬質塗層的緻密度、純度、沉積速率和與襯底的附著力 °所述的 Ar 氣的流量為 27 37sccm(standard cubic centimeter per minute, cm7min)，所述的N2氣的流量為19 ^sccm，在Ar、N2混合氣體中，可以在基體上沉積幾乎不含雜質的V-Si-N納米複合硬質塗層，並且反應濺射得到的VN具有很高的沉積速率。本發明提供了一種V-Si-N納米複合硬質塗層，在保證較低摩擦係數的同時，能夠保證具有較高的硬度。所述的製備方法製備的V-Si-N納米複合硬質塗層。所述的V-Si-N納米複合硬質塗層，成分表示為(VhSix) N,可根據需要通過調整製備過程中的工藝參數得到不同X值的V-Al-N納米複合硬質塗層，主要是通過控制Al靶的功率密度、V靶的功率密度和沉積納米複合結構的V-Al-N硬質塗層時的溫度來得到不同χ 值的V-Al-N納米複合硬質塗層，其中，1-x為0. 7 0. 98，χ為0. 02 0. 3。進一步優選， 1-x 為 0. 85 0. 98，χ 為 0. 02 0. 15。本發明的V-Si-N納米複合硬質塗層中1-x遠大於X，有利於減少塗層沉積的時間， 提高生產效率，並且保證了製備的V-Si-N納米複合硬質塗層具有較高的硬度。進一步優選，所述的V-Si-N納米複合硬質塗層包含非晶結構的Si3N4連續相和若干個VN晶體顆粒，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相包裹，VN晶體顆粒與非晶結構的Si3N4連續相形成共格界面。更進一步優選，所述的V-Si-N納米複合硬質塗層中VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相隔開，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。本發明V-Si-N納米複合硬質塗層中的VN的含量遠大於Si3N4 的含量，厚度為0. 5 3nm的非晶結構的Si3N4連續相包裹在VN晶體顆粒周圍，兩相間形成共格結構，其最高硬度超過53GPa。進一步優選，本發明V-Si-N納米複合硬質塗層的厚度為0. 5 μ m 5 μ m。在此厚度下，V-Si-N納米複合硬質塗層具有較低摩擦係數和較高的硬度，沉積有該厚度塗層的基體能夠很好地滿足使用要求。V-Si-N納米複合硬質塗層的厚度可以根據沉積時間調整，一般沉積時間越長，V-Si-N納米複合硬質塗層的厚度越厚，在本發明的製備方法中，一般沉積 lh，厚度為Ιμπι。所述的V-Si-N納米複合硬質塗層可直接沉積在硬質合金、工具鋼、陶瓷等基體上作為刀具塗層，單獨使用，也可以與其他刀具塗層共同構成耐磨塗層體系。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明V-Si-N納米複合硬質塗層的製備方法，其可操作性強、可控性好，反應濺射得到的VN具有很高的沉積速率，從而使得V-Si-N納米複合硬質塗層沉積時間縮短，提高了生產效率，易於工業化生產，具有較好的經濟效益。本發明製備方法製備的V-Si-N納米複合硬質塗層，兼具有高硬度和低摩擦係數的性能，可作為工業化生產中航空航天、汽車、醫療器件等高端領域廣泛應用的鈦合金、鎳合金等合金的切削刀具的硬質塗層以及其他耐磨塗層，特別適合作為刀具塗層，沉積有該塗層的刀具加工效率高、加工質量好，具有很大的應用價值。


圖1是實施本發明V-Si-N納米複合硬質塗層的製備方法的裝置示意圖；圖2為實施例5製備的V-Si-N納米複合硬質塗層的高解析度透視電鏡(HRTE) 圖；圖3為實施例5製備的V-Si-N納米複合硬質塗層的摩擦係數隨溫度變化圖。
具體實施例方式如圖1所示，為實施本發明V-Si-N納米複合硬質塗層的製備方法的裝置，包括直流陽極1、與直流陽極1連接的基體2、中頻陰極3、直流陰極4、與中頻陰極3連接的Si靶 5、與直流陰極4連接的V靶6以及擋板7，採用磁控濺射技術，通過中頻陰極3連接的Si靶 5濺射Si，直流陰極4連接的V靶6濺射金屬V，並與真空室中的N2氣反應生成V-Si-N納米複合硬質塗層。所述的V-Si-N納米複合硬質塗層的製備方法，包括以下步驟(1)基體2清洗先將基體2放入Borer公司生產的型號為HT1401的洗滌劑中在60 70°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，然後放入Borer公司生產的型號為HT1233的洗滌劑中在50 600C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，再在45 55°C的去離子水中超聲清洗0. 5 3分鐘， 最後將清洗後的基體放入95 105°C的真空乾燥箱中烘烤3 10分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上；或者，先將基體2放入丙酮中在60 70°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，然後放入乙醇中在50 60°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，再在45 55°C的去離子水中超聲清洗0. 5 3分鐘，最後將清洗後的基體2放入95 105°C的真空乾燥箱中烘烤3 10 分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上；(2)沉積塗層在真空室中，將Si靶5安裝在中頻陰極3上，V靴6安裝在直流陰極4上，Si革巴5禾口 V革巴6到基體2的距離為5cm 10cm，Si革巴5禾口 V革巴6通過擋板7與基體2隔離，先通入Ar氣，進行預濺射，再通入N2氣，通過調節Si靶5的功率和V靶6的功率，在350°C 600°C和0. 3Pa 1. OPa條件下，對基體2濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，得到V-Si-N納米複合硬質塗層；所述的Si靶的功率密度為0. 5 2. 5ff/cm2, V靶的功率密度為2. 5 6. 5ff/cm2, 所述的基體的偏壓為-30V -70V。步驟O)中，所述的真空室的本底壓強小於等於5X10_sPa。步驟O)中，所述的Ar氣的流量為27 37sCCm，所述的隊氣的流量為19 29sccm0本發明實施例中V-Si-N納米複合硬質塗層的摩擦係數通過摩擦係數測試方法測得，具體如下採用多功能摩擦磨損試驗機(CETR牌，型號為UMT-3)分別在各個溫度下測試實施例和對比例製得的V-Si-N納米複合硬質塗層的摩擦性能，對偶材料採用直徑4. 0mm、 硬度RC = 62的440-C不鏽鋼球，載荷1N，頻率1Hz，測試時間30min。本發明實施例中V-Si-N納米複合硬質塗層的硬度測試方法如下採用美國MTS生產的型號為NANO G200納米壓痕儀測量各膜系的硬度與彈性模量，其配置四面體Berkvich 壓頭，設定壓入深度(IOOnm)，載荷隨壓入深度而改變，每個樣品測量6個矩陣點後取平均值。實施例1(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產的型號為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然後放入Borer公司生產的型號為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最後將清洗後的基體放入105°C的真空乾燥箱中烘烤5分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上。(2)沉積塗層在真空室中，真空室的本底壓強為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進行10分鐘的預濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為1. 6W/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-50V，在500°C和0. 5Pa條件下，對基體濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米複合硬質塗層，成分表示為 V。.98Sia。2N，厚度為lym。該V-Si-N納米複合硬質塗層的硬度為32. 5GPa，在700°C下的摩擦係數為0.3。通過高解析度透視電鏡圖得到，V-Si-N納米複合硬質塗層包含非晶結構的Si3N4 連續相和若干個VN晶體顆粒，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相包裹，VN晶體顆粒與非晶結構的Si3N4連續相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實施例2(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產的型號為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然後放入Borer公司生產的型號為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗1分鐘，最後將清洗後的基體放入105°C的真空乾燥箱中烘烤5分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上。(2)沉積塗層在真空室中，真空室的本底壓強為(3. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進行10分鐘的預濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為1. 6W/ cm2，V靶的功率密度為3. Off/cm2 (請確認3. O是否合理？)，基體的偏壓為-50V，在400°C和 0. 5Pa條件下，對基體濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米複合硬質塗層，成分表示為Va93Siatl7N,厚度為1 μ m。該V-Si-N納米複合硬質塗層的硬度為35GPa，在700°C下的摩擦係數為0. 39。通過高解析度透視電鏡圖得到，V-Si-N納米複合硬質塗層包含非晶結構的Si3N4 連續相和若干個VN晶體顆粒，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相包裹，VN晶體顆粒與非晶結構的Si3N4連續相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實施例3(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產的型號為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然後放入Borer公司生產的型號為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最後將清洗後的基體放入105°C的真空乾燥箱中烘烤5分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上。(2)沉積塗層在真空室中，真空室的本底壓強為(2. 5士0. 5) X10_5Pa，將Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進行10分鐘的預濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為1. 8W/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-70V，在500°C和0. 5Pa條件下，對基體濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米複合硬質塗層，成分表示為 Va97Sitl.Q3N，厚度為Ιμπι。該V-Si-N納米複合硬質塗層的硬度為40.6GPa，在700°C下的摩擦係數為0.31。通過高解析度透視電鏡圖得到，V-Si-N納米複合硬質塗層包含非晶結構的Si3N4 連續相和若干個VN晶體顆粒，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相包裹，VN晶體顆粒與非晶結構的Si3N4連續相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實施例4(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產的型號為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然後放入Borer公司生產的型號為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最後將清洗後的基體放入105°C的真空乾燥箱中烘烤5分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上。(2)沉積塗層在真空室中，真空室的本底壓強為(1. 5士0. 5) X10_5Pa，將Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進行10分鐘的預濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為1. 9W/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-50V，在400°C和0. 5Pa條件下，對基體濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米複合硬質塗層，成分表示為 Va95Sitl.C15N,厚度為Ιμπι。該V_Si_N納米複合硬質塗層的硬度為36. 5GPa，在700°C下的摩擦係數為0. 28。通過高解析度透視電鏡圖得到，V-Si-N納米複合硬質塗層包含非晶結構的Si3N4 連續相和若干個VN晶體顆粒，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相包裹，VN晶體顆粒與非晶結構的Si3N4連續相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實施例5(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產的型號為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然後放入Borer公司生產的型號為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最後將清洗後的基體放入105°C的真空乾燥箱中烘烤5分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上。(2)沉積塗層在真空室中，真空室的本底壓強為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進行10分鐘的預濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為2. Iff/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-50V，在500°C和0. 5Pa條件下，對基體濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米複合硬質塗層，成分表示為 V。.91Sia。9N，厚度為lym。該V-Si-N納米複合硬質塗層的硬度為46.6GPa，在700°C下的摩擦係數為0. 3，在500°C下的摩擦係數為0. 45，在23°C下的摩擦係數為0. 5。圖2為本發明實施例5製備的V-Si-N納米複合硬質塗層的電鏡掃描照片；如圖2 所示，通過高解析度透視電鏡圖得到，V-Si-N納米複合硬質塗層包含非晶結構的Si3N4連續相和若干個VN晶體顆粒，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相包裹，VN晶體顆粒與非晶結構的Si3N4連續相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。本實施例5製備的V-Si-N納米複合硬質塗層的摩擦係數隨溫度變化如圖3所示。實施例6(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產的型號為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然後放入Borer公司生產的型號為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最後將清洗後的基體放入105°C的真空乾燥箱中烘烤5分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上。(2)沉積塗層在真空室中，真空室的本底壓強為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進行10分鐘的預濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為2. 5W/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-50V，在500°C和0. 5Pa條件下，對基體濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米複合硬質塗層，成分表示為 Va89SiailN,厚度為1 μ m。該V-Si-N納米複合硬質塗層的硬度為52GPa，在700°C下的摩擦係數為0. 32。通過高解析度透視電鏡圖得到，V-Si-N納米複合硬質塗層包含非晶結構的Si3N4 連續相和若干個VN晶體顆粒，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相包裹，VN晶體顆粒與非晶結構的Si3N4連續相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實施例7(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產的型號為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然後放入Borer公司生產的型號為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最後將清洗後的基體放入105°C的真空乾燥箱中烘烤5分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上。(2)沉積塗層在真空室中，真空室的本底壓強為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進行10分鐘的預濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為2. 5W/ cm2, V靶的功率密度為5. Off/cm2,基體的偏壓為-70V，在400°C和0. 5Pa條件下，對基體濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米複合硬質塗層，成分表示為 Va88Siai2N,厚度為1 μ m。該V-Si-N納米複合硬質塗層的硬度為43GPa，在700°C下的摩擦係數為0. 34。通過高解析度透視電鏡圖得到，V-Si-N納米複合硬質塗層包含非晶結構的Si3N4 連續相和若干個VN晶體顆粒，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相包裹，VN晶體顆粒與非晶結構的Si3N4連續相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實施例8(1)基體清洗先將基體放入丙酮中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然後放入乙醇中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗1分鐘，最後將清洗後的基體放入105°C的真空乾燥箱中烘烤5分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上；(2)沉積塗層在真空室中，真空室的本底壓強為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進行10分鐘的預濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為2. Iff/ cm2, V靶的功率密度為4. Off/cm2,基體的偏壓為-70V，在500°C和0. 5Pa條件下，對基體濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米複合硬質塗層，成分表示為Va85Sia15N,厚度為ι μ m。該V-Si-N納米複合硬質塗層的硬度為53GPa，在700°C下的摩擦係數為0. 39。通過高解析度透視電鏡圖得到，V-Si-N納米複合硬質塗層包含非晶結構的Si3N4 連續相和若干個VN晶體顆粒，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相包裹，VN晶體顆粒與非晶結構的Si3N4連續相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實施例9(1)基體清洗先將基體放入丙酮中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然後放入乙醇中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗1分鐘，最後將清洗後的基體放入105°C的真空乾燥箱中烘烤5分鐘，烘乾後放入真空室中的可旋轉基體架上；(2)沉積塗層在真空室中，真空室的本底壓強為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進行10分鐘的預濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為2. 5W/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-50V，在500°C和0. 5Pa條件下，對基體濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米複合硬質塗層，成分表示為 Va89SiailN,厚度為1 μ m。該V-Si-N納米複合硬質塗層的硬度為50GPa，在700°C下的摩擦係數為0. 36。通過高解析度透視電鏡圖得到，V-Si-N納米複合硬質塗層包含非晶結構的Si3N4 連續相和若干個VN晶體顆粒，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相包裹，VN晶體顆粒與非晶結構的Si3N4連續相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。
權利要求
1.一種V-Si-N納米複合硬質塗層的製備方法，包括以下步驟(1)基體清洗；(2)沉積塗層在真空室中，將Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離均為5cm 10cm，Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，進行預濺射，再通入N2氣，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，在350°C 600°C和0. 3Pa 1. OPa條件下，對基體濺射沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，得到V-Si-N納米複合硬質塗層；所述的Si靶的功率密度為0. 5 2. 5ff/cm2, V靶的功率密度為2. 5 6. 5ff/cm2,所述的基體的偏壓為-30V -70V。
2.根據權利要求1所述的V-Si-N納米複合硬質塗層的製備方法，其特徵在於，步驟 ⑵中，所述的真空室的本底壓強小於等於5X10_5Pa。
3.根據權利要求1所述的V-Si-N納米複合硬質塗層的製備方法，其特徵在於，步驟 (2)中，所述的Ar氣的流量為27 37sccm，所述的N2氣的流量為19 ^sccm。
4.根據權利要求1 3任一項所述的製備方法製備的V-Si-N納米複合硬質塗層。
5.根據權利要求4所述的V-Si-N納米複合硬質塗層，其特徵在於，成分表示為 (VhSix)N，其中，1-x 為 0. 7 0. 98，χ 為 0. 02 0. 3。
6.根據權利要求5所述的V-Si-N納米複合硬質塗層，其特徵在於，成分表示為 (VhSix)N，其中，1-x 為 0. 85 0. 98，χ 為 0. 02 0. 15。
7.根據權利要求4所述的V-Si-N納米複合硬質塗層，其特徵在於，所述的V-Si-N納米複合硬質塗層的厚度為0. 5 μ m 5 μ m。
8.根據權利要求4所述的V-Si-N納米複合硬質塗層，其特徵在於，所述的V-Si-N納米複合硬質塗層包含非晶結構的Si3N4連續相和若干個VN晶體顆粒，各個VN晶體顆粒由非晶結構的Si3N4連續相包裹，VN晶體顆粒與非晶結構的Si3N4連續相形成共格界面。
9.根據權利要求8所述的V-Si-N納米複合硬質塗層，其特徵在於，所述的V-Si-N納米複合硬質塗層中VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。
全文摘要
本發明公開了一種V-Si-N納米複合硬質塗層的製備方法，包括以下步驟基體清洗；沉積塗層將Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，進行預濺射，再通入N2氣，通過調節Si靶的功率和V靶的功率，在350～600℃和0.3～1.0Pa條件下，沉積V-Si-N納米複合硬質塗層，其可操作性強、可控性好、易於實施。本發明還公開了一種V-Si-N納米複合硬質塗層，成分表示為(V1-xSix)N，其中，1-x為0.7～0.98，x為0.02～0.3，兼具有高硬度和低摩擦係數的性能，沉積有該塗層的刀具加工效率高、加工質量好，具有很大的應用價值。
文檔編號C23C14/34GK102560355SQ201210007178
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者戴丹, 李豔玲, 葛芳芳, 黃峰 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所