[发明专利]一种硬质合金表面磁控溅射复合技术沉积W-N硬质膜的方法

说明书

本发明公开了一种硬质合金表面磁控溅射复合技术沉积W‑N硬质膜的方法。该方法先将基体研磨、抛光、超声清洗，然后对其表面进行离子清洗与刻蚀，而后在硬质合金表面沉积致密W‑N硬质膜过渡层，接着在过渡层上原位沉积W‑N硬质膜。本发明利用电弧增强辉光放电技术清洁基体表面，大幅度提高膜基结合力，其次在基体表面利用高功率脉冲磁控溅射技术沉积一层致密的W‑N硬质膜过渡层，进一步增强硬质膜结合强度，同时充当良好的热屏障和化学屏障。最终制备出摩擦性能优异、硬度高、表面平整、化学稳定性良好的W‑N硬质膜，有效提高硬质合金工件的综合性能和使用寿命。该硬质膜制备可控，制备方法简单，节能环保，易于实施，适合推广应用。

技术领域

本发明涉及材料表面加工领域，具体涉及一种硬质合金表面磁控溅射复合技术沉积W-N硬质膜的方法。

背景技术

在硬质合金刀具的使用中，其综合性能非常重要，这直接影响了刀具的使用寿命。硬质涂层的出现无疑为刀具开辟了新的世界。刀具涂层技术是在刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好、附着性优异、化学惰性的难熔金属或非金属化合物薄膜，从而解决刀具存在的强度/韧性之间的矛盾。刀具涂层作为一个化学屏障和热屏障，能够减少刀具与工件的扩散和化学反应，且耐磨性好，从而减少刀具磨损，其寿命可以大大提高。

物理气相沉积技术制备薄膜分为三大类：真空蒸镀、真空离子镀以及溅射镀膜，其中溅射镀膜的主要优点是沉积粒子的能量较高，所沉积的薄膜组织更加致密，与基体的附着强度更好；制备合金薄膜时，可更有效控制薄膜成分；溅射用的靶材可以是几乎所有的金属、化合物及难熔材料，也可在不同材料的基体上制备相应的薄膜，反应溅射镀膜可实现金属元素靶材制备化合物薄膜；溅射镀膜还可实现大面积镀膜、大规模连续生产，适合工业应用。

根据溅射方法不同，溅射镀膜可分为直流溅射、射频溅射、磁控溅射、反应溅射及离子束溅射等。直流磁控溅射是20世纪70年代发展起来的一种溅射技术，通过在靶材表面施加垂直靶面的磁场，将电子的运动轨迹限制在靶材表面附近，从而提高电子碰撞概率和靶材粒子的电离效率，进而提高薄膜的沉积效率。相比其它物理气相沉积方法，直流磁控溅射技术沉积速率高，工作气压低，镀膜质量高，工艺稳定可控，便于大规模生产；高功率脉冲磁控溅射则是在普通磁控溅射技术的基础上增添了脉冲电源，使其离化率更高。其优势在于：较高的脉冲峰值功率(比传统高2～3个数量级)，脉冲占空比较低，较高离化率，可以获得优异的膜基结合力、控制涂层的微结构等。适用于任何材料，大颗粒少，表面光滑。其次，在偏压作用下，高能离子束冲击基体表面，可以起到清洁基体表面的作用，同时可以刻蚀表面和注入到涂层以及基体界面，能够改变基体的表面结构，使沉积的涂层外延生长，获得化学结合的界面，以此来增加结合力。

基体前处理采用的电弧增强型辉光放电技术是通过电弧放电产生高密度等离子体，电子在阳极棒的牵引下，进入腔室与通入的氩气碰撞，显著提高其离化率，使基体沉浸在低能量高密度的等离子体氛围中，对基体起到了一定的电子加热作用。相比传统的离子刻蚀清洗，电弧增强型辉光放电技术有效避免基体表面损伤并显著减少基体表面杂质，在一定程度上显微毛化基体表面几何尺寸，同时也对后续镀膜起到了预离化作用。

氮化物涂层具有高熔点、高硬度、良好的耐磨性等特点。有关氮化钛、氮化铬等硬质涂层已进行了系统的研究，并已在工业上获得了广泛的应用。氮化钨具有高硬度、高熔点、优良的化学稳定性等优点，基于这些优点，氮化钨已被用于大规模集成电路的扩散阻挡层、高耐磨材料、催化材料、光学材料及薄膜电极等领域。因此，氮化钨涂层成为保护涂层的潜力材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高硬度、耐腐蚀、抗冲击、磨耗少、高附着力、寿命长等优势的复合硬质膜制备方法，而且制备方法简单，节能环保，生产成本低，适合推广应用。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种硬质合金表面磁控溅射复合技术沉积W-N硬质膜的方法，包括以下步骤：