專利名稱：一種V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種硬質(zhì)涂層及其制備領(lǐng)域，尤其涉及一種V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層及其制備方法。
背景技術(shù)：
運(yùn)用氣相沉積技術(shù)，將硬質(zhì)涂層施加于刀具的表面，刀具如燒結(jié)碳化物硬質(zhì)合金、 高速工具鋼、陶瓷等，已被證明可以顯著提高刀具的壽命，并能有效改善工件的切削質(zhì)量， 硬質(zhì)涂層特別適合施加于合金刀具，用于提高合金刀具的壽命和改善工件的切削質(zhì)量。這些硬質(zhì)涂層最典型的代表是鈦基二元及多元氮化物，如氮化鈦(TiN)、碳氮化鈦(TiCN)^i 鋁氮(TiAlN)、鈦硅氮(TiSiN)、鈦鋁碳氮(TiAlCN)、鈦鋁硅氮(TiAlSiN)等。其它的硬質(zhì)涂層包括但不限于，氧化鋁(Al2O3)、氮化鉻(CrN)、鋁鈦氮(AlTiN)、鋁鉻氮(AlCrN)等。針對(duì)具體的應(yīng)用場(chǎng)合，這些硬質(zhì)涂層可以以單層、多層、疊層、多相復(fù)合等多種方式在刀具上加以使用。通常情況下，沉積上述涂層的刀具在切削過程中與工件之間的摩擦系數(shù)比較大 (通常大于0. 5，甚至大于1)。在切削的過程中，過大的摩擦系數(shù)會(huì)導(dǎo)致切削區(qū)溫度高、刀具磨損快、工件切削表面質(zhì)量不高。在切削鈦合金、鎳合金等難加工合金時(shí)，這一缺點(diǎn)更為明顯，并且還有較嚴(yán)重的粘刀現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致切削困難或加工速度很低。論文“超硬涂層和納米復(fù)合涂層”(作者S. Veprek等，2005年發(fā)表在Thin Solid Films期刊，第476卷，第1 四頁)公開了一種V1-JixN涂層，用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)方法制備，Si的含量χ為0 0. 13，該V^SixN涂層的硬度在20 57GPa的范圍內(nèi)。由于PECVD的制備采用SiH4和VCl4為原料，氯原子和氫原子在高溫下進(jìn)入基體材料，容易造成基體晶間腐蝕，使刀具變脆，同時(shí)該涂層中的氫原子與沉積涂層的其他原子之間形成弱氫鍵，使涂層變脆，導(dǎo)致涂層的摩擦系數(shù)變大。此外，PECVD采用有毒的氣體為原料，增加了環(huán)境污染的可能性，存在著技術(shù)問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的制備方法，其可操作性強(qiáng)、可控性好、易于實(shí)施。一種V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的制備方法，包括以下步驟(1)基體清洗；(2)沉積涂層在真空室中，將Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si 靶和V靶到基體的距離均為5cm 10cm，Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，進(jìn)行預(yù)濺射，再通入N2氣，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，在350°C 600°C和0. 3Pa 1. OPa條件下，對(duì)基體濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層；所述的Si靶的功率密度為0. 5 2. 5ff/cm2, V靶的功率密度為2. 5 6. 5ff/cm2,所述的基體的偏壓為-30V -70V。步驟(1)中，所述的基體清洗可采用本領(lǐng)域常用的基體清洗方法。為了取得本發(fā)明更好的效果，以下作為本發(fā)明的優(yōu)選步驟(1)中，所述的基體清洗包括以下步驟先將基體放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1401的洗滌劑中在60 70°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，然后放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1233的洗滌劑中在50 60°C 的溫度下超聲清洗3 10分鐘，再在45 55°C的去離子水中超聲清洗0. 5 3分鐘，最后將清洗后的基體放入95 105°C的真空干燥箱中烘烤3 10分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上；或者，先將基體放入丙酮中在60 70°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，然后放入乙醇中在50 60°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，再在45 55°C的去離子水中超聲清洗0. 5 3分鐘，最后將清洗后的基體放入95 105°C的真空干燥箱中烘烤3 10分鐘， 烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上。步驟(1)還包括在基體沉積涂層之前，采用高壓隊(duì)氣對(duì)基體進(jìn)行清洗，以清洗掉基體表面有可能附著的氣體或微塵顆粒，保持基體足夠的清潔度。步驟⑵中，所述的真空室的本底壓強(qiáng)小于等于5 X10_5Pa，一般壓強(qiáng)越小越好，可以減少濺射過程中濺射粒子與氣體分子間的碰撞，同時(shí)能夠減少沉積過程中氣體分子進(jìn)入涂層中成為雜質(zhì)，提高本發(fā)明V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的致密度、純度、沉積速率和與襯底的附著力 °所述的 Ar 氣的流量為 27 37sccm(standard cubic centimeter per minute, cm7min)，所述的N2氣的流量為19 ^sccm，在Ar、N2混合氣體中，可以在基體上沉積幾乎不含雜質(zhì)的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，并且反應(yīng)濺射得到的VN具有很高的沉積速率。本發(fā)明提供了一種V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，在保證較低摩擦系數(shù)的同時(shí)，能夠保證具有較高的硬度。所述的制備方法制備的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層。所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，成分表示為(VhSix) N,可根據(jù)需要通過調(diào)整制備過程中的工藝參數(shù)得到不同X值的V-Al-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，主要是通過控制Al靶的功率密度、V靶的功率密度和沉積納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的V-Al-N硬質(zhì)涂層時(shí)的溫度來得到不同χ 值的V-Al-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，其中，1-x為0. 7 0. 98，χ為0. 02 0. 3。進(jìn)一步優(yōu)選， 1-x 為 0. 85 0. 98，χ 為 0. 02 0. 15。本發(fā)明的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層中1-x遠(yuǎn)大于X，有利于減少涂層沉積的時(shí)間， 提高生產(chǎn)效率，并且保證了制備的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層具有較高的硬度。進(jìn)一步優(yōu)選，所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層包含非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相形成共格界面。更進(jìn)一步優(yōu)選，所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層中VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相隔開，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。本發(fā)明V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層中的VN的含量遠(yuǎn)大于Si3N4 的含量，厚度為0. 5 3nm的非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹在VN晶體顆粒周圍，兩相間形成共格結(jié)構(gòu)，其最高硬度超過53GPa。進(jìn)一步優(yōu)選，本發(fā)明V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的厚度為0. 5 μ m 5 μ m。在此厚度下，V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層具有較低摩擦系數(shù)和較高的硬度，沉積有該厚度涂層的基體能夠很好地滿足使用要求。V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的厚度可以根據(jù)沉積時(shí)間調(diào)整，一般沉積時(shí)間越長，V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的厚度越厚，在本發(fā)明的制備方法中，一般沉積 lh，厚度為Ιμπι。所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層可直接沉積在硬質(zhì)合金、工具鋼、陶瓷等基體上作為刀具涂層，單獨(dú)使用，也可以與其他刀具涂層共同構(gòu)成耐磨涂層體系。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的制備方法，其可操作性強(qiáng)、可控性好，反應(yīng)濺射得到的VN具有很高的沉積速率，從而使得V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層沉積時(shí)間縮短，提高了生產(chǎn)效率，易于工業(yè)化生產(chǎn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。本發(fā)明制備方法制備的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，兼具有高硬度和低摩擦系數(shù)的性能，可作為工業(yè)化生產(chǎn)中航空航天、汽車、醫(yī)療器件等高端領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的鈦合金、鎳合金等合金的切削刀具的硬質(zhì)涂層以及其他耐磨涂層，特別適合作為刀具涂層，沉積有該涂層的刀具加工效率高、加工質(zhì)量好，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。


圖1是實(shí)施本發(fā)明V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的制備方法的裝置示意圖；圖2為實(shí)施例5制備的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的高分辨率透視電鏡(HRTE) 圖；圖3為實(shí)施例5制備的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的摩擦系數(shù)隨溫度變化圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，為實(shí)施本發(fā)明V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的制備方法的裝置，包括直流陽極1、與直流陽極1連接的基體2、中頻陰極3、直流陰極4、與中頻陰極3連接的Si靶 5、與直流陰極4連接的V靶6以及擋板7，采用磁控濺射技術(shù)，通過中頻陰極3連接的Si靶 5濺射Si，直流陰極4連接的V靶6濺射金屬V，并與真空室中的N2氣反應(yīng)生成V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層。所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的制備方法，包括以下步驟(1)基體2清洗先將基體2放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1401的洗滌劑中在60 70°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，然后放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1233的洗滌劑中在50 600C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，再在45 55°C的去離子水中超聲清洗0. 5 3分鐘， 最后將清洗后的基體放入95 105°C的真空干燥箱中烘烤3 10分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上；或者，先將基體2放入丙酮中在60 70°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，然后放入乙醇中在50 60°C的溫度下超聲清洗3 10分鐘，再在45 55°C的去離子水中超聲清洗0. 5 3分鐘，最后將清洗后的基體2放入95 105°C的真空干燥箱中烘烤3 10 分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上；(2)沉積涂層在真空室中，將Si靶5安裝在中頻陰極3上，V靴6安裝在直流陰極4上，Si革巴5禾口 V革巴6到基體2的距離為5cm 10cm，Si革巴5禾口 V革巴6通過擋板7與基體2隔離，先通入Ar氣，進(jìn)行預(yù)濺射，再通入N2氣，通過調(diào)節(jié)Si靶5的功率和V靶6的功率，在350°C 600°C和0. 3Pa 1. OPa條件下，對(duì)基體2濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層；所述的Si靶的功率密度為0. 5 2. 5ff/cm2, V靶的功率密度為2. 5 6. 5ff/cm2, 所述的基體的偏壓為-30V -70V。步驟O)中，所述的真空室的本底壓強(qiáng)小于等于5X10_sPa。步驟O)中，所述的Ar氣的流量為27 37sCCm，所述的隊(duì)氣的流量為19 29sccm0本發(fā)明實(shí)施例中V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的摩擦系數(shù)通過摩擦系數(shù)測(cè)試方法測(cè)得，具體如下采用多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(CETR牌，型號(hào)為UMT-3)分別在各個(gè)溫度下測(cè)試實(shí)施例和對(duì)比例制得的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的摩擦性能，對(duì)偶材料采用直徑4. 0mm、 硬度RC = 62的440-C不銹鋼球，載荷1N，頻率1Hz，測(cè)試時(shí)間30min。本發(fā)明實(shí)施例中V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的硬度測(cè)試方法如下采用美國MTS生產(chǎn)的型號(hào)為NANO G200納米壓痕儀測(cè)量各膜系的硬度與彈性模量，其配置四面體Berkvich 壓頭，設(shè)定壓入深度(IOOnm)，載荷隨壓入深度而改變，每個(gè)樣品測(cè)量6個(gè)矩陣點(diǎn)后取平均值。實(shí)施例1(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然后放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最后將清洗后的基體放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上。(2)沉積涂層在真空室中，真空室的本底壓強(qiáng)為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為1. 6W/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-50V，在500°C和0. 5Pa條件下，對(duì)基體濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，成分表示為 V。.98Sia。2N，厚度為lym。該V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的硬度為32. 5GPa，在700°C下的摩擦系數(shù)為0.3。通過高分辨率透視電鏡圖得到，V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層包含非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4 連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實(shí)施例2(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然后放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗1分鐘，最后將清洗后的基體放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上。(2)沉積涂層在真空室中，真空室的本底壓強(qiáng)為(3. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為1. 6W/ cm2，V靶的功率密度為3. Off/cm2 (請(qǐng)確認(rèn)3. O是否合理？)，基體的偏壓為-50V，在400°C和 0. 5Pa條件下，對(duì)基體濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，成分表示為Va93Siatl7N,厚度為1 μ m。該V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的硬度為35GPa，在700°C下的摩擦系數(shù)為0. 39。通過高分辨率透視電鏡圖得到，V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層包含非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4 連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實(shí)施例3(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然后放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最后將清洗后的基體放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上。(2)沉積涂層在真空室中，真空室的本底壓強(qiáng)為(2. 5士0. 5) X10_5Pa，將Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為1. 8W/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-70V，在500°C和0. 5Pa條件下，對(duì)基體濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，成分表示為 Va97Sitl.Q3N，厚度為Ιμπι。該V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的硬度為40.6GPa，在700°C下的摩擦系數(shù)為0.31。通過高分辨率透視電鏡圖得到，V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層包含非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4 連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實(shí)施例4(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然后放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最后將清洗后的基體放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上。(2)沉積涂層在真空室中，真空室的本底壓強(qiáng)為(1. 5士0. 5) X10_5Pa，將Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為1. 9W/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-50V，在400°C和0. 5Pa條件下，對(duì)基體濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，成分表示為 Va95Sitl.C15N,厚度為Ιμπι。該V_Si_N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的硬度為36. 5GPa，在700°C下的摩擦系數(shù)為0. 28。通過高分辨率透視電鏡圖得到，V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層包含非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4 連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實(shí)施例5(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然后放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最后將清洗后的基體放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上。(2)沉積涂層在真空室中，真空室的本底壓強(qiáng)為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為2. Iff/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-50V，在500°C和0. 5Pa條件下，對(duì)基體濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，成分表示為 V。.91Sia。9N，厚度為lym。該V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的硬度為46.6GPa，在700°C下的摩擦系數(shù)為0. 3，在500°C下的摩擦系數(shù)為0. 45，在23°C下的摩擦系數(shù)為0. 5。圖2為本發(fā)明實(shí)施例5制備的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的電鏡掃描照片；如圖2 所示，通過高分辨率透視電鏡圖得到，V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層包含非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。本實(shí)施例5制備的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的摩擦系數(shù)隨溫度變化如圖3所示。實(shí)施例6(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然后放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最后將清洗后的基體放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上。(2)沉積涂層在真空室中，真空室的本底壓強(qiáng)為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為2. 5W/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-50V，在500°C和0. 5Pa條件下，對(duì)基體濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，成分表示為 Va89SiailN,厚度為1 μ m。該V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的硬度為52GPa，在700°C下的摩擦系數(shù)為0. 32。通過高分辨率透視電鏡圖得到，V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層包含非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4 連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實(shí)施例7(1)基體清洗先將基體放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1401的洗滌劑(pH值為 12. 2)中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然后放入Borer公司生產(chǎn)的型號(hào)為HT1233的洗滌劑(PH值為9.2)中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗 1分鐘，最后將清洗后的基體放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上。(2)沉積涂層在真空室中，真空室的本底壓強(qiáng)為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為2. 5W/ cm2, V靶的功率密度為5. Off/cm2,基體的偏壓為-70V，在400°C和0. 5Pa條件下，對(duì)基體濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，成分表示為 Va88Siai2N,厚度為1 μ m。該V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的硬度為43GPa，在700°C下的摩擦系數(shù)為0. 34。通過高分辨率透視電鏡圖得到，V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層包含非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4 連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實(shí)施例8(1)基體清洗先將基體放入丙酮中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然后放入乙醇中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗1分鐘，最后將清洗后的基體放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上；(2)沉積涂層在真空室中，真空室的本底壓強(qiáng)為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為2. Iff/ cm2, V靶的功率密度為4. Off/cm2,基體的偏壓為-70V，在500°C和0. 5Pa條件下，對(duì)基體濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，成分表示為Va85Sia15N,厚度為ι μ m。該V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的硬度為53GPa，在700°C下的摩擦系數(shù)為0. 39。通過高分辨率透視電鏡圖得到，V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層包含非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4 連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。實(shí)施例9(1)基體清洗先將基體放入丙酮中在65°C的溫度下超聲清洗5分鐘，然后放入乙醇中在55°C的溫度下超聲清洗5分鐘，再在50°C的去離子水中超聲清洗1分鐘，最后將清洗后的基體放入105°C的真空干燥箱中烘烤5分鐘，烘干后放入真空室中的可旋轉(zhuǎn)基體架上；(2)沉積涂層在真空室中，真空室的本底壓強(qiáng)為(4. 5士0. 5) X KT5PaJf Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離為9. 2cm, Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，Ar氣的流量為3kccm，進(jìn)行10分鐘的預(yù)濺射，再通入 N2氣，N2氣的流量為Msccm，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，Si靶的功率密度為2. 5W/ cm2, V靶的功率密度為6. 5ff/cm2,基體的偏壓為-50V，在500°C和0. 5Pa條件下，對(duì)基體濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，濺射沉積lh，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，成分表示為 Va89SiailN,厚度為1 μ m。該V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的硬度為50GPa，在700°C下的摩擦系數(shù)為0. 36。通過高分辨率透視電鏡圖得到，V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層包含非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4 連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相形成共格界面，VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。
權(quán)利要求
1.一種V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的制備方法，包括以下步驟(1)基體清洗；(2)沉積涂層在真空室中，將Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶到基體的距離均為5cm 10cm，Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，進(jìn)行預(yù)濺射，再通入N2氣，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，在350°C 600°C和0. 3Pa 1. OPa條件下，對(duì)基體濺射沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，得到V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層；所述的Si靶的功率密度為0. 5 2. 5ff/cm2, V靶的功率密度為2. 5 6. 5ff/cm2,所述的基體的偏壓為-30V -70V。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的制備方法，其特征在于，步驟 ⑵中，所述的真空室的本底壓強(qiáng)小于等于5X10_5Pa。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的制備方法，其特征在于，步驟 (2)中，所述的Ar氣的流量為27 37sccm，所述的N2氣的流量為19 ^sccm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3任一項(xiàng)所述的制備方法制備的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，其特征在于，成分表示為 (VhSix)N，其中，1-x 為 0. 7 0. 98，χ 為 0. 02 0. 3。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，其特征在于，成分表示為 (VhSix)N，其中，1-x 為 0. 85 0. 98，χ 為 0. 02 0. 15。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，其特征在于，所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的厚度為0. 5 μ m 5 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，其特征在于，所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層包含非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相和若干個(gè)VN晶體顆粒，各個(gè)VN晶體顆粒由非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相包裹，VN晶體顆粒與非晶結(jié)構(gòu)的Si3N4連續(xù)相形成共格界面。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，其特征在于，所述的V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層中VN晶體顆粒的尺寸為1 lOnm，相鄰的VN晶體顆粒的間距為0. 5 3nm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層的制備方法，包括以下步驟基體清洗；沉積涂層將Si靶安裝在中頻陰極上，V靶安裝在直流陰極上，Si靶和V靶通過擋板與基體隔離，先通入Ar氣，進(jìn)行預(yù)濺射，再通入N2氣，通過調(diào)節(jié)Si靶的功率和V靶的功率，在350～600℃和0.3～1.0Pa條件下，沉積V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，其可操作性強(qiáng)、可控性好、易于實(shí)施。本發(fā)明還公開了一種V-Si-N納米復(fù)合硬質(zhì)涂層，成分表示為(V1-xSix)N，其中，1-x為0.7～0.98，x為0.02～0.3，兼具有高硬度和低摩擦系數(shù)的性能，沉積有該涂層的刀具加工效率高、加工質(zhì)量好，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。
文檔編號(hào)C23C14/34GK102560355SQ201210007178
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者戴丹, 李艷玲, 葛芳芳, 黃峰 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所