[发明专利]含应力缓和层的硬质薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新材料领域，特别是涉及一种应用于工具、模具及汽车零部件等摩擦副零部件表面强化处理时的含应力缓和层的硬质薄膜及其制备方法。

背景技术

通过对摩擦副零部件表面沉积硬质涂层，从而增加其耐磨性和寿命的研究已有公布，这方面的专利技术也有一些，如在一些专利中记载了硬度为HV1700的CrN/Cr2N两相混合薄膜的开发。另有一些专利记载了以CrSiN、TiSiN为代表的纳米复合结构薄膜技术。

但是，对这些硬质薄膜来说，当厚度超过10um时，薄膜内部应力将变得很大，导致薄膜剥落。特别采用离子镀膜技术所获得的薄膜，当膜厚为2～3um时，没有任何问题，但是，当膜厚超过10um时内部应力会超过3GPa而引起薄膜脱落。具有高内应力的TiN薄膜尤其如此，当厚度达到5um以上时就会脱落。

为了防止厚膜的脱落，常采用的方法是在薄膜中设置应力释放层。例如，通过热处理在TiN与Al合金形成一层TiAl₃反应层可以起到释放应力的作用。另外，在薄膜与基体间沉积一层热膨胀系数介于两者间的过渡层可以缓解薄膜中的内应力。

虽然这些技术并不是关于硬质薄膜的，但是，可以给我们一定的启示：即在硬质厚膜与基体间设置具有适当热膨胀系数的材料可以缓解薄膜内部应力，从而到达防止薄膜脱落的目的。

但是，在实际应用中发现，对于10um以上的硬质厚膜，或5um以上的硬质TiN厚膜，仅仅一层应力释放层并不能充分释放薄膜的内部应力。同时，对于像离子镀膜技术这种成膜原材料有限的薄膜沉积技术来说，适合作为应力释放层的材料极为有限，因此有时很可能难于得到具有合适热膨胀系数的中间层。

在日本权田俊一主编的《薄膜制备应用手册》中不但揭示了采用溅射沉积技术沉积薄膜时上述热应力的产生，还阐述了由于氛围气体、金属离子的钉扎效应引起的薄膜内部压缩应力。并指出通过对氛围气体压力、离化等成膜参数的优化可以缓解这种应力，但是一点也没有涉及到采用应力释放层来缓解这种压缩应力的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种含应力缓和层的硬质薄膜及其制备方法，该方法可以充分缓解厚度10um(对TiN薄膜来说5um)以上，至数十um的硬质薄膜的内部应力，同时，采用诸如离子镀膜技术这种薄膜沉积原材料有限的方法也可获得较厚的硬质薄膜，用该方法获得的硬质薄膜含有多层应力缓和层，从而解决传统硬质涂层当其厚度超过10um厚时，由于内部应力过高，而容易从金属基体表面脱落的问题。

本发明是在沉积硬质氮化物陶瓷薄膜(TiN、CrN、TiAlN、TiCrN等)及硬质纳米复合氮化物(TiSiN、CrSiN等)薄膜时，通过在薄膜中按一定间隔设置一定数量的金属应力缓和层，金属应力缓和层可为Ti层或Cr层，以此来减小薄膜内部应力防止薄膜的脱落。应力缓和层的间隔与薄膜种类相关，一般以1.5～4.5um为好，最好是在2.0～3.5um范围内。另外，应力缓和层的厚度一般推荐为10～52nm，最好是在20～45nm范围内。

同时，本发明还包括采用离子镀膜技术，使金属或合金阴极蒸发获得金属离子，然后使这些金属离子在氮气气氛中发生反应生成硬质氮化物薄膜，在氩气气氛中反应生成金属应力缓和层，通过一定时间间隔交替通入氮气和氩气得到具有规定厚度的氮化物和金属交替层。

本发明的有益效果是：采用本发明后，即使数十um到数百um的厚膜，也能够充分缓解其内部应力，同时，即使采用离子镀膜这类薄膜沉积原材料有限的技术也能够获得厚度足够大的硬质薄膜。

附图说明

下面结合附图、实施例和比较例对本发明作进一步描述。

图1是实施例1中得到的薄膜的断面图。

图2是实施例1～4及比较例1～2中所获得的薄膜的内部应力与应力缓和层层间距间的关系。

图3是实施例2及5～7与比较例3～4中所获得的薄膜的内部应力与应力缓和层的厚度间的关系。

图4时实施例2及5～7与比较例3～4中所获得的薄膜的奴氏硬度与应力缓和层厚度间的关系。

符号说明

1：铁系基体

2：打底层

3：CrN层(氮化物薄膜)

4：Cr层(应力缓和层)

具体实施方式