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

背景技术

随着现代加工技术的发展，特别是高速、干式切削等加工方式的出现，要求应用于刀具的涂层具有更高的硬度，并兼具优良的摩擦磨损性能。然而，现有的刀具涂层虽然具有较高硬度，但它们的摩擦磨损性能都不理想，无法满足要求。氮化钽(TaN)薄膜具有高熔点、高导电性、良好的化学稳定性等优异性能，可广泛用于集成电路构件、薄膜电阻器等中。溅射法制备的TaN薄膜硬度高达到22GPa，但其摩擦系数较高，约为0.7，与现代加工技术所要求的高硬度耐磨涂层如TiN相比，TaN薄膜摩擦磨损性能较差，因而市场上没有发现二元的TaN薄膜用作切削刀具的保护涂层。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种TaCN硬质纳米结构薄膜及制备方法，克服现有TaN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TaCN硬质纳米结构薄膜，是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的，薄膜分子式表示为Ta(C，N)，厚度在1-3μm，当Ta靶功率为100W，C靶功率大于50W时，薄膜中形成了非晶C和CNx。

一种TaCN硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于，利用双靶共焦射频反应法在硬质合金或陶瓷基体上沉积TaCN硬质纳米结构薄膜，沉积时，真空度优于3.0×10^-3Pa,以氩气起弧，氮气为反应气体进行沉积，溅射气压0.3Pa、氩氮流量比10:（2-5），Ta靶溅射功率80-150W，C靶溅射功率0-120W较佳。当Ta靶溅射功率100W，C靶溅射功率0～80W，较佳为20-80W，更佳40-60W，最佳为50W，当C靶功率为50W时，薄膜的硬度高达29.6GPa，干切削实验下，摩擦系数和磨损率为0.35和4.23×10^-7mm²/N。

前述的TaCN硬质纳米结构薄膜的制备方法，其特征在于，在基体上预先沉积纯Ta作为过渡层。

本发明的TaCN硬质纳米结构薄膜是采用高纯Ta靶和C靶共焦射频反应溅射，沉积在硬质合金或陶瓷基体上制备得到的，薄膜厚度在1-3μm，溅射反应过程中，C靶功率在0W～80W之间，当C靶功率为50W时，薄膜的硬度高达29.6GPa，干切削实验下，摩擦系数和磨损率为0.35和4.23×10^-7mm²/N，这种硬质涂层综合具备了高硬度，高耐磨性的优良特点。

附图说明：

图1为本发明不同C靶功率TaCN薄膜的红外光谱；Ta靶溅射功率100W，C靶功率大于50W时，在1400cm^-1～1600cm^-1之间出现了石墨相吸收峰；在2250cm^-1附近出现了C≡N吸收峰(所以，本发明根据薄膜的主要成分C、N、Ta，命名为碳氮化钽TaCN)；

图2为本发明TaCN薄膜硬度（GPa）与C靶功率（W）的变化关系；随C靶功率的增加，薄膜的显微硬度显著升高，当C靶功率为50W时，硬度最高为29.6GPa，C靶功率大于50W时，随着C靶功率提高，薄膜的显微硬度逐渐下降；

图3为本发明TaCN薄膜干切削实验下平均摩擦系数及磨损率与C靶功率的变化关系，可见，TaCN薄膜的摩擦系数和磨损率随C靶功率的增加而减小，当C靶功率为50W时，摩擦系数和磨损率为0.35和4.23×10^-7mm²/N。

具体实施方法

本发明的制备方法，具体如下：