利用超硬膜进行材料保护

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中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：1008-925X(2012)O7-0129-01

摘要：利用多弧离子镀技术、采用Ti-Al-Zr合金靶材在高速钢基片上沉积(Ti,Al,Zr)N超硬反应膜。系统地研究了沉积工艺（偏压、镀膜温度、反应气体压强、弧电流）对膜层组织和性能的影响。

根据正交试验法对沉积工艺参数进行设计，制定了合适的实验工艺。根据实验工艺制备了表面比较光洁、平整，组织比较均匀、细致的薄膜。

该研究工作表明，采用多弧离子镀技术沉积的(Ti,Al,Zr)N超硬反应膜在较薄的厚度（≤3μm）下，通过沉积工艺优化，可以达到很高的硬度（HV＞3500）、很强的附着力（＞140N）以及良好的常温和高温耐磨性能，达到刀具膜层的高使用性能要求。此外，本课题研究结果也表明，采用Ti-Al-Zr合金靶材制备的(Ti,Al,Zr)N超硬反应膜是可行的，具有良好的工业应用前景。

关键词：(Ti,Al,Zr) N；超硬反应膜；多弧离子镀；偏压

利用超硬膜进行材料防护是提高材料性能的一种经济，实用的途径。超硬膜在常温下具有良好的综合的机械性能，在高温环境下也具有较高的强度，还兼有良好的抗高温氧化，耐腐蚀，抗冲刷和磨损的能力；在剧烈磨损的环境中，其高温强度韧性，耐磨性的指标要远远高于常温。超硬膜耐磨及保护涂层使用，可以有效地降低各部件的机械磨损，化学腐蚀及高温氧化倾向，从而延长部件的使用寿命。

以TiN 为代表的硬质单层膜,由于明显改善材料表面的力学性能和摩擦性能,而广泛应用在机械、冶金、电子等领域。硬质多层膜由于可集中不同单层材料的优点;增强膜- 基结合;多层界面可打断柱状晶的生长,使裂纹改变方向或阻挡位错运动;增加涂层的韧性和硬度,因而比单层膜具有更好的性能。自Koehler提出增强多层复合材料的理论方法后,硬质多层膜尤其是超晶格薄膜、纳米多层膜的研究逐渐成为热点,不但显著改善力学性能和摩擦性能,而且还明显改善耐高温氧化性及抗腐蚀性等。

超硬材料依据化学键合特性可以分成三类，即，金属键（过渡族金属元素的氮化物、碳化物、硼化物）、共价键（Al、Si的氮化物、碳化物、硼化物以及金刚石）、离子键（Al、Zr、Ti、Be的氧化物）。多元超硬膜的组元的选择一般总是要考虑其单一反应膜的性能，这些性能将直接影响到其组成的多元超硬膜的性能。总体上，这些材料都具有高硬度、高熔点；离子键化合物的弹性模量最低；从共价键、金属键到离子键热膨胀系数增加。按键合方式对这三类材料的定性比较，每一类都具有各自的优点和缺欠。而对于金属键类的硬质材料来说，又可以按照氮化物、碳化物、硼化物进行分类。由这些结果可以断言，超硬反应膜的优化只能是通过多元（多相）或者多层复合方式来实现。

1、真空镀膜技术

在真空中把金属核减或化合物进行蒸发（或溅射），使其在被涂覆的物体（称基板、基片或基体）上凝固，沉积的方法称真空镀膜法。真空镀膜技术是真空应用技术的一个重要的领域，这一技术在目前之所以得到突飞猛进的发展，是因为它不仅仅是大意的真空应用技术，而是以真空技术为基础，利用物理或化学的方法并且吸收了电子束、分子束、离子束、等离子束、射频、磁控等一系列新技术，为科学研究与生产提供了膜层涂覆的新工艺、新技术的结果。

2、多弧离子镀

采用多弧离子镀制备多元超硬反应膜，首先要确定靶材合金的基体元素，基体元素自身必须具有良好的反应能力和良好的反应膜性能。此外，考虑到制备合金靶的需要，基体元素必须具有较好的合金化能力和较好的可加工性能。根据多元超硬反应膜的发展历史和实际应用来看，毫无疑问，Ti是首选的基体元素。在此基础上，根据过渡族金属元素的自身特点及其反应物的性能，对其它元素，特别是Cr、Zr、Nb进行了成功的尝试。此外，由于Al元素的合金化性能良好及作为抗高温氧化元素的优势，也被列为主要基体元素进行尝试，这些典型的二元合金的超硬反应膜。值得注意的是，在这类二元合金中，第二组元元素仍然以过渡族金属元素为主，在有些情况下，Si也被作为第二组元添加。

三元合金的超硬反应膜则几乎完全脱胎于二元合金的超硬反应膜，其基体合金元素为Ti与另外几种元素（Cr、Zr、Nb、Al以及Hf）的分别组合。而第三组元元素仍然是过渡族元素（特别是W、Ta、Hf、Mo、V、Y）及Si。其它多组元元素的超硬反应膜则是在(Ti,Al)基的基础上进行发展的。

目前对于多元反应超硬膜的研究尚处于初级阶段，纵向的研究很缓慢，横向研究的宽度还不够。二元合金反应超硬膜如(Ti,Al)N、(Ti,Zr)N等研究比较充分，但是三元的反应超硬膜(T,Al,Zr)N、(Ti,Al,Cr)N、(T,Al,Si)N等还没有系统的研究，对于多元反应膜的研究只是处于起步阶段。

多弧离子镀技术有以下特点：

⑴ 金属阴极蒸发器不熔化，可以任意安放使涂层均匀，基板转动机构简化。

⑵外加磁场可以改善电弧放电，使电弧细碎；旋转速度加快，细化膜层微粒；外加偏压电场对带电粒子产生加速作用。

⑶金属离化率高，有利于涂层的均匀性和提高附着力，是实现离子镀膜的最佳工艺。

⑷一弧多用，既是蒸发源，又是加热源，预轰击净化源和离化源。

⑸设备结构简单，可以拼装，适于镀各种形状的零件，包括细长杆。如拉刀、曲轴等。

⑹不足之处是降低零件表面光洁度。

如上所述，超硬涂层综合性能改善的基本途径在于涂层成分的多元化。超硬涂层已经从单一的金属反应涂层发展到具有一定综合性能的三元合金反应涂层，并向多元合金复合反应涂层（第三代超硬反应涂层）方向发展。研究和开发多元合金超硬复合涂层以期更进一步改善涂层的综合使用性能是该领域的研究热点和发展方向。

参考文献:

[1]肖兴成, 江伟辉, 宋力昕等. 超硬膜的研究进展. 无机材料学报[J].1999, 14(5): 706~710

[2]唐伟忠. 薄膜材料制备原理、技术及应用(第二版)[M].北京:冶金工业出版社, 2003年1月

[3]田民波, 刘德令等. 薄膜科学与技术手册下册(第一版)[M].北京:机械工业出版社, 1991年 5月