[发明专利]TiMoN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TiMoN硬质纳米结构薄膜及其制备方法，属于陶瓷涂层技术领域。

背景技术

现代加工技术的发展，对刀具涂层提出了诸如“高速高温”、“高精度”、“高可靠性”、“长寿命”等更高的服役要求，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都具有较高的硬度，但它们的摩擦磨损性能不理想，难以满足如高速、干式切削等苛刻的服役条件。传统的二元镀层如TiN已不能完全胜任当代加工制造业对刀具服役条件的要求。例如，目前最常用的TiN涂层的硬度约为23GPa，其摩擦系数约为0.9；TiAlN涂层硬度虽高达40GPa，但摩擦磨损性能较差，其摩擦系数约为1.0。因此，与当代加工制造业所要求的理想高硬度减磨耐磨涂层相比，此类硬质涂层的摩擦磨损性能仍有差距。目前生产上急需一种能够兼具高硬度和优良摩擦磨损性能的工具涂层。

近来研究表明，MoN薄膜有着较高的硬度，稳定的机械性能，Mo元素在摩擦磨损实验中容易形成具有低剪贴模量的Magnéli相MoO₃，具有良好的耐磨减磨作用，在摩擦磨损元件中极具工业应用价值。然而，有研究表明，PVD条件下制备的Mo的氮化物存在如γ-Mo₂N、B1-MoN、δ-MoN多种相结构，其相结构随制备工艺参数的不同变化显著。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种TiMoN硬质纳米结构薄膜及其制备方法。本发明克服了现有TiN系硬质纳米结构复合膜及多层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现的：一种TiMoN硬质纳米结构薄膜，薄膜采用双靶共焦射频反应溅射法沉积在硬质合金或陶瓷基体上制备得到，所述的薄膜分子式表示为（Ti_xMo_1-x）N，其中x=25.67～70.13at.﹪，薄膜厚度在2-3μm，薄膜最高硬度为36.37GPa，干切削实验下，最低摩擦系数为0.3917，最低磨损率为1.270×10^-8mm³/Nmm。

薄膜Mo的相对含量1-x为29.87～74.33at.％。

制备所述的TiMoN硬质纳米结构薄膜的方法，利用双靶共焦射频反应溅射法在硬质合金或陶瓷基体上沉积TiMoN硬质纳米结构薄膜，沉积时，真空度为＜6.0×10^-4Pa，以氩气起弧，氮气为反应气进行沉积。

在基体上先沉积200nm的Ti为过渡层。

基体温度按需要设定，从室温到200℃，溅射气压0.3Pa、氩氮流量比10/3，Ti靶溅射功率250W，Mo靶溅射功率为30～250W。

Ti靶功率250W，Mo靶功率150W。

有益效果：

1.TiMoN薄膜为面心立方结构，与TiN相结构相似。随Mo含量的升高，择优取向由(111)转变为(200)。其显微硬度随Mo含量的增加显著升高，最高为36.37GPa。

2.TiMoN薄膜的摩擦系数随Mo含量的升高而降低，最后摩擦系数达到一个稳定值，大致在0.4左右，TiMoN薄膜的耐磨性能优异，最低磨损率为8×10^-8mm³/Nmm。

附图说明

图1为本发明TiMoN薄膜显微硬度随Mo含量的变化关系；

图2为本发明TiMoN薄膜干切削实验下平均摩擦系数随Mo含量变化关系；

图3为本发明TiMoN薄膜干切削实验下磨损率随Mo含量变化关系。

具体实施方式：

本发明的TiMoN硬质纳米结构薄膜分子式表示为（Ti_xMo_1-x）N。采用高纯Ti靶和Mo靶共焦射频反应溅射，沉积在高速钢等硬质合金或陶瓷基体上，TiMoN硬质纳米结构薄膜的厚度为2～3μm，薄膜中Ti含量（x）在25.67～70.13at.﹪之间，Mo含量（1-x）在29.87～74.33at.﹪之间。这种硬质涂层能够获得36.37GPa的高硬度，兼具优异的摩擦磨损性能，干切削实验下，其最低摩擦系数为0.3917，最低磨损率为1.270×10^-8mm³/Nmm。

本发明的制备方法，具体如下：