利用超硬膜進行材料保護

中圖分類號：TU 文獻標識碼：A 文章編號：1008-925X(2012)O7-0129-01

摘要：利用多弧離子鍍技術、采用Ti-Al-Zr合金靶材在高速鋼基片上沉積(Ti，Al，Zr)N超硬反應膜。系統地研究了沉積工藝（偏壓、鍍膜溫度、反應氣體壓強、弧電流）對膜層組織和性能的影響。

根據正交試驗法對沉積工藝參數進行設計，制定了合適的實驗工藝。根據實驗工藝制備了表面比較光潔、平整，組織比較均勻、細致的薄膜。

該研究工作表明，采用多弧離子鍍技術沉積的(Ti，Al，Zr)N超硬反應膜在較薄的厚度（≤3μm）下，通過沉積工藝優化，可以達到很高的硬度（HV＞3500）、很強的附著力（＞140N）以及良好的常溫和高溫耐磨性能，達到刀具膜層的高使用性能要求。此外，本課題研究結果也表明，采用Ti-Al-Zr合金靶材制備的(Ti，Al，Zr)N超硬反應膜是可行的，具有良好的工業應用前景。

關鍵詞：(Ti，Al，Zr) N；超硬反應膜；多弧離子鍍；偏壓

利用超硬膜進行材料防護是提高材料性能的一種經濟，實用的途徑。超硬膜在常溫下具有良好的綜合的機械性能，在高溫環境下也具有較高的強度，還兼有良好的抗高溫氧化，耐腐蝕，抗沖刷和磨損的能力；在劇烈磨損的環境中，其高溫強度韌性，耐磨性的指標要遠遠高于常溫。超硬膜耐磨及保護涂層使用，可以有效地降低各部件的機械磨損，化學腐蝕及高溫氧化傾向，從而延長部件的使用壽命。

以TiN 為代表的硬質單層膜，由于明顯改善材料表面的力學性能和摩擦性能，而廣泛應用在機械、冶金、電子等領域。硬質多層膜由于可集中不同單層材料的優點;增強膜- 基結合;多層界面可打斷柱狀晶的生長，使裂紋改變方向或阻擋位錯運動;增加涂層的韌性和硬度，因而比單層膜具有更好的性能。自Koehler提出增強多層復合材料的理論方法后，硬質多層膜尤其是超晶格薄膜、納米多層膜的研究逐漸成為熱點，不但顯著改善力學性能和摩擦性能，而且還明顯改善耐高溫氧化性及抗腐蝕性等。

超硬材料依據化學鍵合特性可以分成三類，即，金屬鍵（過渡族金屬元素的氮化物、碳化物、硼化物）、共價鍵（Al、Si的氮化物、碳化物、硼化物以及金剛石）、離子鍵（Al、Zr、Ti、Be的氧化物）。多元超硬膜的組元的選擇一般總是要考慮其單一反應膜的性能，這些性能將直接影響到其組成的多元超硬膜的性能。總體上，這些材料都具有高硬度、高熔點；離子鍵化合物的彈性模量最低；從共價鍵、金屬鍵到離子鍵熱膨脹系數增加。按鍵合方式對這三類材料的定性比較，每一類都具有各自的優點和缺欠。而對于金屬鍵類的硬質材料來說，又可以按照氮化物、碳化物、硼化物進行分類。由這些結果可以斷言，超硬反應膜的優化只能是通過多元（多相）或者多層復合方式來實現。

1、真空鍍膜技術

在真空中把金屬核減或化合物進行蒸發（或濺射），使其在被涂覆的物體（稱基板、基片或基體）上凝固，沉積的方法稱真空鍍膜法。真空鍍膜技術是真空應用技術的一個重要的領域，這一技術在目前之所以得到突飛猛進的發展，是因為它不僅僅是大意的真空應用技術，而是以真空技術為基礎，利用物理或化學的方法并且吸收了電子束、分子束、離子束、等離子束、射頻、磁控等一系列新技術，為科學研究與生產提供了膜層涂覆的新工藝、新技術的結果。

2、多弧離子鍍

采用多弧離子鍍制備多元超硬反應膜，首先要確定靶材合金的基體元素，基體元素自身必須具有良好的反應能力和良好的反應膜性能。此外，考慮到制備合金靶的需要，基體元素必須具有較好的合金化能力和較好的可加工性能。根據多元超硬反應膜的發展歷史和實際應用來看，毫無疑問，Ti是首選的基體元素。在此基礎上，根據過渡族金屬元素的自身特點及其反應物的性能，對其它元素，特別是Cr、Zr、Nb進行了成功的嘗試。此外，由于Al元素的合金化性能良好及作為抗高溫氧化元素的優勢，也被列為主要基體元素進行嘗試，這些典型的二元合金的超硬反應膜。值得注意的是，在這類二元合金中，第二組元元素仍然以過渡族金屬元素為主，在有些情況下，Si也被作為第二組元添加。

三元合金的超硬反應膜則幾乎完全脫胎于二元合金的超硬反應膜，其基體合金元素為Ti與另外幾種元素（Cr、Zr、Nb、Al以及Hf）的分別組合。而第三組元元素仍然是過渡族元素（特別是W、Ta、Hf、Mo、V、Y）及Si。其它多組元元素的超硬反應膜則是在(Ti，Al)基的基礎上進行發展的。

目前對于多元反應超硬膜的研究尚處于初級階段，縱向的研究很緩慢，橫向研究的寬度還不夠。二元合金反應超硬膜如(Ti，Al)N、(Ti，Zr)N等研究比較充分，但是三元的反應超硬膜(T，Al，Zr)N、(Ti，Al，Cr)N、(T，Al，Si)N等還沒有系統的研究，對于多元反應膜的研究只是處于起步階段。

多弧離子鍍技術有以下特點：

⑴ 金屬陰極蒸發器不熔化，可以任意安放使涂層均勻，基板轉動機構簡化。

⑵外加磁場可以改善電弧放電，使電弧細碎；旋轉速度加快，細化膜層微粒；外加偏壓電場對帶電粒子產生加速作用。

⑶金屬離化率高，有利于涂層的均勻性和提高附著力，是實現離子鍍膜的最佳工藝。

⑷一弧多用，既是蒸發源，又是加熱源，預轟擊凈化源和離化源。

⑸設備結構簡單，可以拼裝，適于鍍各種形狀的零件，包括細長桿。如拉刀、曲軸等。

⑹不足之處是降低零件表面光潔度。

如上所述，超硬涂層綜合性能改善的基本途徑在于涂層成分的多元化。超硬涂層已經從單一的金屬反應涂層發展到具有一定綜合性能的三元合金反應涂層，并向多元合金復合反應涂層（第三代超硬反應涂層）方向發展。研究和開發多元合金超硬復合涂層以期更進一步改善涂層的綜合使用性能是該領域的研究熱點和發展方向。

參考文獻:

[1]肖興成， 江偉輝， 宋力昕等. 超硬膜的研究進展. 無機材料學報[J].1999， 14(5): 706~710

[2]唐偉忠. 薄膜材料制備原理、技術及應用(第二版)[M].北京:冶金工業出版社， 2003年1月

[3]田民波， 劉德令等. 薄膜科學與技術手冊下冊(第一版)[M].北京:機械工業出版社， 1991年 5月