[发明专利]一种含银的氮化铬基硬质纳米结构复合膜及制备方法

说明书

本发明公开了一种含银的氮化铬基硬质纳米结构复合膜及制备方法，该复合膜由面心立方结构的(CrTa)N置换固溶体和面心立方结构的Ag两相构成；制备时先将基体置于溅射室内，调节真空度6.0×10^‑4Pa以下，通入氩气起弧，启动Cr靶、Ta靶和Ag靶，以功率均为20‑30W进行预溅射10‑15min，其次将Cr靶以功率150W在基体上沉积Cr过渡层，并通入N₂，随后将Cr靶以功率150W、Ta靶以功率50W和Ag靶以功率20‑60W，在溅射气压0.3Pa条件下共溅射，制得银/氮化铬基硬质纳米结构复合膜。本发明的复合膜不仅高硬度且具有优异的摩擦磨损性能；同时制法简单，效率高。

技术领域

本发明属于复合膜领域，尤其涉及一种含银的氮化铬基硬质纳米结构复合膜及制备方法。

背景技术

由于刀具材料表面需在高温环境下长时间服役，具有优异力学及摩擦磨损性能的氮化铬基陶瓷薄膜也已被广泛应用。CrN薄膜的硬度高、韧性好，具有比 TiN更优的耐腐蚀性能，且铬的溅射产额比较高，CrN薄膜有利于大批量的工业生产，更具有实用价值。然而CrN薄膜在高温下的抗氧化能较差，在切削加工过程中产生的高温往往使氮化铬涂层容易产生氧化相失效。因此，现亟需一种新型的、不仅抗氧化性能强，且强度高、摩擦磨损性能强的复合薄膜。基于此，学者们研究了TaN基薄膜，其因具有高熔点和高介电常数被广泛用于电路及相关行业，例如申请号为201410264441.2，名称为TaN-Ag硬质薄膜的发明公开了TaN基薄膜，但该TaN-Ag薄膜的硬度和室温、高温的摩擦磨损性能较弱，其硬度为 29GPa，室温最低摩擦系数0.52，700℃时的摩擦系数为0.1。

发明内容

发明目的：本发明的第一目的是提供一种具有高硬度及优异的摩擦磨损性能的含银的氮化铬基硬质纳米结构复合膜；

本发明的第二目的是提供该复合膜的制备方法。

技术方案：本发明的含银的氮化铬基硬质纳米结构复合膜，由面心立方结构的(CrTa)N置换固溶体和面心立方结构的Ag两相构成，其化学式为(CrTa)N/Ag。

本发明通过在过渡族金属氮化物薄膜中添加钽元素，进而能够形成(CrTa)N 置换固溶体，且该置换固溶体以柱状晶结构生长，面心立方结构的Ag相以纳米晶镶嵌在(CrTa)N柱状晶的边界处，从而使得制备的(CrTa)N/Ag硬质纳米结构复合膜不仅具有抗氧化性能、强度高，力学性能强，且在摩擦磨损过程中，在摩擦热的作用下Ag迁移至薄膜表层，有效润滑摩擦与磨痕表面，达到减摩效果，具有室温、高温的摩擦磨损性能。

进一步说，复合膜的厚度可为1.5-2μm，该厚度范围内的薄膜能够提供较好的力学性能与摩擦磨损性能，复合膜中Ag含量为1.3-14.5at.％，该含量范围能够一定程度上改善力学性能，较好的提升摩擦磨损性能。

本发明制备银/氮化铬基硬质纳米结构复合膜的方法，包括如下步骤：

(1)将预处理后的基体置于溅射室内，调节真空度6.0×10^-4Pa以下，通入氩气起弧，启动Cr靶、Ta靶和Ag靶，以功率均为20-30W进行预溅射10-15min；

(2)将Cr靶以功率150W在基体上沉积Cr过渡层，并通入N₂，随后将 Cr靶以功率150W、Ta靶以功率50W和Ag靶以功率20-60W，在溅射气压0.3 Pa条件下共焦溅射2h，制得银/氮化铬基硬质纳米结构复合膜。

本发明的复合膜制备时在以氩气为起弧，氮气为反应气体条件下，先将Cr 靶、Ta靶和Ag靶预溅射，以清洗靶材表面；随后将Cr靶在基体上沉积Cr过渡层，提升膜基结合力；最后通过Ta靶、Cr靶及Ag靶的共焦溅射，制得银/氮化铬基硬质纳米结构复合膜。

进一步说，步骤(1)中，基体可为金属、硬质合金或陶瓷。氩气和氮气流量比为10:5。