[发明专利]一种耐磨损的TiSiCN膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硬质涂层技术领域，尤其涉及一种硬度高、耐磨损性能好的TiSiCN纳米复合膜的制备方法。

背景技术

在实际生产中，硬质涂层常被用来改善材料的表面性能，减少与工件的摩擦和磨损，有效提高材料表面的硬度、韧性、耐磨性和高温稳定性，大幅延长涂层产品的使用寿命。根据成分的差异，硬质涂层可分为Ti基涂层、Cr基涂层和C基涂层三大类，其中，Ti基涂层如TiC、TiN膜作为传统防护薄膜在表面工程领域得到了广泛的研究与应用。

然而，近年来随着航空航天、精密机械和微电子等高新技术产业的发展，对在真空、高低温交变、高速、高负载、特殊介质等苛刻工况条件下使用的硬质涂层提出了更高的要求，传统的Ti基涂层因摩擦系数较高、热稳定性较差等因素已逐渐被性能更优的纳米复合膜涂层所代替。所谓纳米复合膜涂层是一种典型的用纳米结构进行强化的超硬涂层，该涂层具有由界面相包裹基体相所形成的三维网状结构，最常见TiSiN纳米复合膜是在TiN中加入Si元素得到的，其抗高温氧化性较单涂层TiN明显提高，但依然有待于改善TiSiN膜的摩擦系数。

新近的研究表明，通过在TiSiN纳米复合膜中掺杂C元素，有利于使涂层具有较低的摩擦系数，同时还能全面提高涂层的硬度和弹性模量，这是因为，碳元素的添加可使涂层纳米复合结构的界面相进一步合金化，增加了涂层中相之间的弹性模量差，也使得涂层中交变应力场增强，并且涂层中的晶化界面相SiN与其包裹的纳米晶TiN呈共格外延生长，阻碍了TiN纳米晶粒沿晶界的滑移，抑制了TiSiN纳米复合膜的微观变形，从而达到全面提高硬度和弹性模量的效果。例如中国专利文献CN102650043A公开了一种TiSiCN纳米复合润滑薄膜的制备方法，该方法采用中频磁控溅射技术，以CH₄和N₂为反应气体溅射TiSi复合靶，通过调节复合靶中Ti和Si原子比、CH₄和N₂气体的比例、脉冲偏压制得了0.6～1.5μm厚的TiSiCN薄膜。再如，中国专利文献CN104087898A公开了一种利用多靶磁控溅射仪制备的TiSiCN纳米复合涂层，该涂层是由TiSiC复合靶材在基体上进行磁控溅射反应沉积而得。由此可以看出，现有技术在制备TiSiCN纳米复合涂层时均是采用TiSi或TiSiC等复合靶，上述复合靶材不仅生产难度大且价格昂贵，更重要的是，采用具有固定原子比例的复合靶材所制得的TiSiCN膜中的Ti、Si、C、N各元素的含量也是唯一确定的，也就是说，一种靶材只能生产一种TiSiCN膜，这就使得膜中的各元素含量在TiSiCN膜的生产过程中不可调，由此限制了TiSiCN膜的生产效率，同时也增大了TiSiCN膜的生产成本。

综上可知，如何对现有的TiSiCN膜的制备工艺进行改进以有效降低生产成本、提高生产效率、并能一举获得耐磨损性能好的TiSiCN膜，这已成为本领域亟待解决的一个技术难题。

发明内容

本发明解决的技术问题在于克服现有的TiSiCN膜的制备工艺所存在的生产成本高且效率低的缺陷，进而提供一种可大幅降低生产成本、提高生产效率、并能在膜生产过程中调整各元素用量从而获得耐磨损性能好的TiSiCN膜的制备方法。

为此，本发明实现上述目的的技术方案为：

一种耐磨损的TiSiCN膜的制备方法，所述方法采用氮气和有机硅为反应气体溅射Ti靶，从而在基体的外表面形成TiSiCN膜；

所述有机硅为仅由碳、氢、硅元素组成的化合物。

所述基体的材质为金属或合金。

所述有机硅为四甲基硅烷、三甲基硅烷、二甲基硅烷、甲基硅烷、乙基硅烷中的一种或多种。

所述方法具体包括如下步骤：

将所述基体置于真空环境中并停留于Ti靶前，通过等离子增强磁控溅射技术制得所述TiSiCN膜；

所述等离子增强磁控溅射技术的工艺参数控制如下：

有机硅的气流量为60～80sccm；

氮气的气流量为10～20sccm；

氩气的气流量为20～30sccm；

射频溅射频率为430～470W、时间为5～10h；

沉积气压不超过0.2Pa；

基体温度为320～380℃。

所述等离子增强磁控溅射技术的工艺参数控制如下：

有机硅的气流量为60sccm；

氮气的气流量为18sccm；

氩气的气流量为22sccm；

射频溅射频率为450W、时间为8h；