沉積時間對高熵合金濺鍍氮化薄膜性能的影響

丁佳偉 劉熾華 王康 萬松峰

摘?要：以高熵合金（AlCrNbSiTiV）為靶材，Ar為工作氣體，N2為反應(yīng)氣體，利用反應(yīng)式直流磁控濺鍍在硅晶片和車削刀具上制備高熵合氮化薄膜，探討不同濺鍍沉積時間對（AlCrNbSiTiV）氮化物薄膜表層微結(jié)構(gòu)及機械性質(zhì)的影響。沉積薄膜中所有元素的相對原子濃度與高熵合金靶材相當。氮化物薄膜組織均勻、致密地附著于基材，薄膜表面為顆粒狀組織。隨著濺鍍時間的增加，顯示薄膜表面晶粒變大，薄膜沉積速率下降。應(yīng)用高熵合金（AlCrNbSiTiV）N 氮化物薄膜鍍層刀具干式切削S45C中碳鋼圓柱工件時，工件表面的粗糙度和刀具的側(cè)面磨損顯著降低。研究顯示鍍層可有效提升刀具切削效率，延長刀具使用壽命，濺鍍時間30 min時，車削刀具的切削性能最佳。

關(guān)鍵詞：高熵合氮化薄膜;沉積時間;機械性質(zhì);干式切削

中圖分類號：TQ630.7文獻標識碼：A

隨著制造技術(shù)全球化趨勢的快速發(fā)展，高速、大功率機床以及難加工材料的使用越來越廣泛，對機械加工行業(yè)切削技術(shù)的要求逐步提高，新的環(huán)保法律法規(guī)又提高了冷卻潤滑液的使用成本。干切削技術(shù)的應(yīng)用，對刀具材料提出了更高的要求。[1]刀具涂層的出現(xiàn)使加工高效性、精確性、專業(yè)化程度都有利于制造業(yè)的進步，因而刀具涂層技術(shù)得到世界各個國家的廣泛關(guān)注。選用耐磨性好、硬度高的涂層材料，可以使涂層刀具的切削范圍大、壽命長，性能大大優(yōu)于非涂層刀具，成為理想的切削刀具材料。[2]

傳統(tǒng)合金理論認為合金以一兩種金屬元素作為主加元素（含量大于50%），其余金屬或非金屬元素作為輔加微量元素對合金性能進行改善。2004年我國臺灣葉均尉教授在Advanced Engineering Materials第一次提出了高熵合金的概念，[3-4]定義由含5個以上主要金屬元素組成合金，原子百分比介于5-35at.%之間，再加入次元素改質(zhì)，高熵合金具有簡單固溶相、奈米結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性、高硬度及耐腐蝕等優(yōu)越的性質(zhì)及未來發(fā)展?jié)摿?，?yōu)于傳統(tǒng)單一主要元素合金。而高熵合金氮化物薄膜也預(yù)期鍍覆于刀具表面，有效增加基材表面硬度、抗高溫氧化、提升耐磨性、耐腐蝕等機械性質(zhì)與熱穩(wěn)定性，未來發(fā)展應(yīng)用范圍廣泛。

多項研究均顯示高熵合金氮化物薄膜在適當?shù)陌胁暮辖鹪O(shè)計和制程參數(shù)下，課有效改善微結(jié)構(gòu)與機械性質(zhì)，提升硬度、抗腐蝕、抗氧化、抗磨耗等性質(zhì)。Huang[5]等人應(yīng)用射頻反應(yīng)磁控濺鍍，制備高熵合金（AlCrNbSiTiV）N 氮化物薄膜。探討不同的基材溫度（100-500°）和退火處理對薄膜的微結(jié)構(gòu)和機械性能的影響。Ren[6]等人運用反應(yīng)式直流磁控濺鍍，制備高熵合金（AlCrMnMoNiZrB0.1）N氮化物薄膜。探討不同N2/Ar 流量比（RN），分析薄膜微結(jié)構(gòu)及機械性質(zhì)。本課題組[7]研究了基材偏壓對（AlCrNbSiTiV）N薄膜形貌、元素含量、物相成分和性能的影響。

1 試驗

1.1 高熵合金氮化物膜制備

以高熵合金為靶材，Ar為工作氣體，N2為反應(yīng)氣體，利用反應(yīng)式直流磁控濺鍍在硅晶片和車削刀具上制備高熵合氮化薄膜。避免基材表面油污與有機溶劑影響薄膜附著力，運用超音波震蕩清洗15min，再以去離子水浸泡，運用超音波震蕩清洗15min，氮氣吹干凈基材表面，在試片貼上3M真空耐熱膠帶，以便于量測薄膜厚度及計算沉積速率。

前處理完成后將基材和靶材放入直流磁控濺鍍沉積設(shè)備腔體，腔體抽真空半小時使壓強1.5Pa以下，開啟石英加熱器加熱至200oC持溫半小時再抽真空至6.5X10-4 Pa以下，通入純度為99.99%的保護氣體氬氣使壓力在1.5Pa以下并維持穩(wěn)定;開啟200w直流電源點燃電漿對靶材預(yù)鍍半小時清除去除靶材表面雜質(zhì)和表面氧化層;通入保護氣體氬氣和純度為9999%反應(yīng)氣體氮氣，氬氣和氮氣的流量比為4∶1，壓力穩(wěn)定半小時后設(shè)定基板以50rpm速度旋轉(zhuǎn)，基板與靶之間的距離為85mm，總氣體流量為30 mL/min，直流偏壓設(shè)置為-50V;基板偏壓設(shè)置穩(wěn)定后移開擋板開始薄膜濺鍍，濺鍍時間分別設(shè)定為10、15、20、25和30分鐘，時間到達后關(guān)閉電漿及氣體，試片自然冷卻后取出。

1.2 測試

將金屬陶瓷涂層刀具用于數(shù)控車床干切削直徑為45mm的S45C中碳鋼圓柱工件，切削參數(shù)設(shè)置為進給速度0.2mm/rev、切削速度200m/min、切削深度3mm，切削距離400mm。通過對加工工件的表面粗糙度和刀具磨損的測量分析刀具的切削性能。

利用場發(fā)射掃描式電子顯微鏡（SEM，JEOL JSM-7100F）觀察薄膜表面型態(tài)和截面微觀結(jié)構(gòu)，該顯微鏡配有X光能量色散光譜儀（EDS）可測量薄膜成份。利用表面輪廓儀（α-step，ET-4000A）測定薄膜厚度，再除以時間獲得薄膜沉積速率。利用X射線衍射儀（Rigaku-2000）測量薄膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。利用用瑞士CSM儀器公司的球盤摩擦磨損試驗儀量測量薄膜的耐磨性，用直徑6.0mm的Al2O3磨球以載荷10N、磨耗切線速度為0.1m/s，無潤滑條件下沿直徑為10mm的圓形軌跡進行測試。利用納米壓痕儀（Fischer HM-2000）繪制薄膜的負載/位移曲線，可得知薄膜所能承受的臨界負載并分析其機械性能（硬度和剛度）。利用顯微鏡（Vertex 220）觀測刀具磨損，利用輪廓儀（Suftest-402Mitutoyo）測量切削工件的表面粗糙度。

2 結(jié)果與討論

2.1 濺鍍時間對薄膜成份與結(jié)構(gòu)的影響

不同濺鍍時間沉積10分、15分、20分、25分和30分對應(yīng)的薄膜厚度為322.1，402.8nm、547.9nm、615.7nm和 774.9nm，將薄膜厚度除以濺鍍時間得薄膜沉積速率32.21nm/min、2685nm/min、27.40nm/min、24.63nm/min和 25.83nm/min。繪制不同沉積時間高熵合金氮化薄膜沉積速率如圖1所示，顯示增加濺鍍時間，薄膜沉積速率有下降的趨勢，推測與靶材毒化效應(yīng)有關(guān)。

圖2從表面形態(tài)圖中可知AlCrNbSiTiV氮化薄膜表面顯示氮化物薄膜組織均勻、致密地附著于基材。氮化物薄膜表面為顆粒狀組織，且增加濺鍍時間，薄膜表面晶粒變大，從橫斷面圖3可以看到均呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)。

2.2 濺鍍時間對薄膜性能的影響

奈米壓痕儀是經(jīng)壓痕器施加微負荷（mN）于薄膜基材，利用壓痕器的位移與微負荷，量測薄膜材料的機械性能。圖3為不同濺鍍時間下AlCrNbSiTiV氮化薄膜的負荷-位移曲線圖，圖4為不同濺鍍時間下AlCrNbSiTiV氮化薄膜的硬度圖。從圖4可知當濺鍍時間從10min增加到25min，AlCrNbSiTiV氮化薄膜的硬度隨著濺鍍時間的增加而增加，當濺鍍時間為25min硬度為最大為1570Hv，然后下降，因此薄膜能承受壓應(yīng)力高的硬度也高，推測為靶材毒化效應(yīng)，沉積率速下降，使薄膜表面致密。

切削刀具的質(zhì)量和性能直接影響到機加工產(chǎn)品的質(zhì)量，用鍍了AlCrNbSiTiV氮化薄膜的刀具切削直徑為45mm的S45C中碳鋼圓柱工件來評估刀具的切削性能。原刀具和不同沉積時間10分、15分、20分、25分和30分對應(yīng)的鍍膜刀具切削工件表面粗糙度分別為2.741um、1.004um、0.902um、1.312um、1276um和1.018um，濺鍍時間30分時對應(yīng)的工件表面粗糙度明顯降低Ra為0.877 um。原始刀具加工工件表面粗糙度Ra為2.467 um，工件表面粗糙度減少3倍，顯示鍍層刀具，可有效提升切削質(zhì)量。

原刀具和不同沉積時間10分、15分、20分、25分和30分對應(yīng)的鍍膜刀具側(cè)面磨損是97.5um、41.7um、23.8um、176um、24.1um和11.5um。薄膜鍍層車刀磨耗隨濺鍍時間增加而降低，濺鍍時間為30min時刀具磨耗量較低11.5um，相較于原始刀具磨耗量97.5um，薄膜鍍層刀具刀腹磨耗降低8倍。

3 結(jié)論

探討不同濺鍍沉積時間（10、15、20、25和 30分）對（AlCrNbSiTiV）N 氮化物薄膜表層微結(jié)構(gòu)及機械性質(zhì)的影響。通過干式切削S45C中碳鋼試驗驗證結(jié)論如下：

（1）增加薄膜濺鍍時間，薄膜沉積速率有下降的趨勢，推測與靶材毒化效應(yīng)有關(guān)。

（2）表面形貌分析顯示薄膜組織均勻、致密地附著于基材表面。增加濺鍍時間薄膜表面晶粒有增大的趨勢，橫斷面均呈現(xiàn)柱狀結(jié)構(gòu)。

（3）切削結(jié)果顯示，車刀濺鍍時間30分鐘時有最小刀的腹磨耗量11.5um，及工件表面粗糙度Ra為0.877um。鍍膜可有效提升刀具切削效率、延長刀具壽命。

參考文獻：

[1]戚正風(fēng)，任瑞銘.國內(nèi)外刀具材料發(fā)展狀況[J].金屬熱處理，2008，33（1）：15.

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[5]P.K.Huang，J.W.Yeh，Effects of substrate temperature and post-annealing on microstructure and properties of（AlCrNbSiTiV）N coatings，Thin Solid Films，2009，518：180-184.

[6]B.Ren，Z.X.Liu，L.Shi，B.Cai，M.X.Wang，Structure and properties of（AlCrMnMoNiZrB0.1）Nx coatings prepared by reactive DC sputtering，Applied Surface Science，2011，257：7172-7178.

[7]萬松峰，許春耀，吳錦城.基板偏壓對濺鍍AlCrNbSiTiV高熵合金氮化物薄膜性能的影響[J].電鍍與涂飾，2018，37（3）：122-128.