1、高速钢表面真空电弧沉积 ZrN 薄膜的组织与性能研究22 工具技术高速钢表面真空电弧沉积 ZrN 薄膜的组织与性能研究*刘丽红胡社军曾鹏谢光荣广东工业大学摘要:通过试验研究了在高速钢表面真空电弧沉积 ZrN 薄膜的组织与性能,分析了真空度和偏压条件对 ZrN薄膜显微结构及性能的影响.关键词:ZrN 薄膜 ,真空电弧沉积 ,高速钢,组织,性能ResearchonnicrostructureandPropertyofZrNnlInonHSSSurfacebyVacuumArcDepositingLiuLihongHuShejunZengPengetalAbstract:emicrostructur
2、eandpropertiesofZrNfilmonthesurfaceofhighspeedsteelbyvacuunlarcdepositingarere?searchedbyexperiment.InfluencesofthevacuumdegreeandthebiasvoltageonthemicrostructureandpropertiesofZrNfilmareanalyd.Keywords:ZrNfilm,vacuumarcdepositing,HSS,microstructure,property1 引言 2 试验方法科技与工业的发展对材料性能的要求日益提高.利用超硬薄膜进行材
3、料防护,材料表面装饰和各种工模具的表面强化是提高材料性能的一种经济实用的途径.TiN 薄膜的出现引发了工具工业的一次技术革命.随着机械加工业的发展,人们对工模具表面涂层的性能提出了越来越高的要求,如更高的涂层硬度,抗摩擦磨损性能,膜基界面结合性能等,研制和开发新一代工模具表面涂层是超硬薄膜研究的重要发展方向之一.难熔金属氮化物 ZrN 薄膜具有硬度高,熔点高,热稳定性好,电阻率低,抗蚀性能强等优良的化学,热学性能以及漂亮的金黄色外观,在微电子学,航天航空,高速钢刀具和防腐蚀刻镀层等方面获得了广泛应用_1.2j.ZrN 系超硬薄膜有多种制备方法,目前较多采用磁控溅射法_3.本研究采用真空电弧沉积
4、法在高速钢表面沉积ZrN 薄膜.真空电弧沉积法是将辉光放电,等离子体技术与真空蒸发技术相结合的一种物理气相沉积(PVD)技术,它兼具蒸镀法沉积速度快和溅射法离子轰击清洁表面的优点,能显着提高沉积膜的性能,具有膜层附着力强,绕射性好,可镀材料范围广泛等优点.本文旨在研究真空电弧沉积法在不同沉积条件下在高速钢表面沉积 ZrN 薄膜的组织结构特征和各种力学性能.*国家自然科学基金资助项目(项目编号:50271019)广东省教育厅自然科学研究项目(项目编号:020075)收稿日期:2OO4 年 1 月2.1 试验设备与材料本试验在 Bulat 一 6 真空电弧镀膜机上完成,其结构与工作原理参见文献6.
5、试样基材采用 M2型高速钢试片(6163HRC)和单晶硅片(100),靶材为锆靶.2.2 试验工艺为了研究不同真空度条件对 ZrN 薄膜组织结构的影响,试验采用保持偏压不变(150V),改变沉积真空度(0.25 0.80Pa)的工艺条件.此外,考虑到偏压的影响,还采用了保持沉积真空度不变(0.25Pa),改变偏压(100300V) 的工艺条件 .基本工艺过程为:将仔细清洗过的试样装入炉内,抽背底真空度至0.025Pa,开启大束流冷阴极离子源,用氩离子对试样进行溅射清洗,加速电压 3800V,离子束流120mA.溅射清洗 10 分钟后,开启锆弧源,弧流90A,调整偏压,使基片升温至 400C,然
6、后按拟定工艺条件进行镀膜.2.3 测试方法用 PhilipsXI30FEGSEM 扫描电镜观测试样形貌;用 Y.4Qx 射线衍射仪测试分析膜层组织结构;用 MVK-H3 型超微负荷显微硬度计测量膜层的显微硬度,加载时问 15s,载荷 25g;用 WS 型划痕试验机测试膜基结合力;用日本产 HEIDON 一 22 型表面性能测试仪测试膜层的耐磨性能,金刚石压头直径为0.2mm,载荷为 lkg,采用往复式刻划磨损试验法,并20O4 年第 38 卷 No10观测磨痕宽度;按照日本标准(JISH86631961)用滤纸法检测膜层的孔隙率.3 试验结果与讨论3.1ZrN 薄膜的形貌用扫描电镜观察在不同真
7、空度和偏压条件下沉积的 ZrN 薄膜表面与断面结构形貌.发现在所有试样的膜层表面均有大小不一的球状颗粒,经能谱检测,证实这些颗粒主要由锆构成.当弧斑在锆靶表面移动蒸发时,一些未离化的锆粒子附着在膜层表面,形成尺寸大小不一的锆液滴.由于这些颗粒尺寸微小(平均尺寸小于 2/ma),因此对膜层表面色泽影响不大,膜层表面呈淡金黄色.从膜层断面形貌上看,真空度条件对膜层的生长形态没有太大影响,薄膜基本组织形态为柱状晶;但偏压条件对膜层的生长形态影响较大,在 100V 偏压条件下,柱状晶形态较为明显,随着偏压的增大,断面组织形貌由较粗大的柱状晶向细晶柱状晶变化,如图 1 所示.(a)真空度为 0.5Pa
8、的薄膜表面形貌一(b)偏压为 100v 的薄膜断面形貌(c)偏压为 300V 的薄膜断面彤貌图 1ZrN 薄膜表面和断面的扫描电镜照片3.2ZrN 薄膜的组织结构从图 2 所示的 x 射线衍射图谱中可以看出,在各种工艺条件下沉积的膜层主要由 ZrN 相构成.在不同的真空度条件下,ZrN 的晶面择优取向不同.真空度为 0.5Pa 的试样在 ZrN(200)晶面出现择优取向;而真空度为 0.8Pa 的试样则在 ZrN(110)晶面出现择优取向;此外,膜层中还有少量 Zr 存在(见图2a).随着偏压增高,ZrN(111)衍射峰的位置向高衍射角方向移动(见图 2b),这说明其晶面间距减小,膜层表面有利
9、于压应力的产生,这有助于提高薄膜结合力.(b)图 2ZrN 薄膜 x 射线衍射图谱分析3.3ZrN 薄膜的显微硬度与膜基结合力在 25g 载荷条件下,对高速钢表面沉积的 ZrN膜层的显微硬度和膜基结合力进行了测试,结果如图 3 所示.测试结果表明,随着真空度的降低,试样的显微硬度不断增加,结合力却不断降低;而随着偏曦 605O4o赫 3O警 201o压的增加,薄膜的显微硬度和膜基结合力均呈上升趋势.在真空度 0.8Pa 条件下沉积时,膜层显微硬度达到最大值 2601HV0.25,临界载荷 L.=21N,但如果将偏压调整到 300V,虽然显微硬度略有下降(2581HVn25),但临界载荷却明显上
10、升(L=41N);在真空度 0.25Pa 条件下沉积时,虽然显微硬度达2497HV0,临界载荷也较高(L=56N),但高偏压时的显微硬度和膜基结合力并非最佳.由此可见,在沉积过程中,采用较高真空度和较低偏压或较低真空度和较高偏压都有利于高速钢表面 ZrN 薄膜显微硬度和膜基结合力的提高.3.4ZrN 薄膜的耐磨性和孔隙率试样在 lkg 载荷下进行加载耐磨试验,往复行程周次达 100 次后,测量磨痕宽度.测试结果(见表1)表明 ,随着真空度的降低,试样的磨痕宽度减小,这说明 ZrN 薄膜在较低真空度下具有较好的耐磨性能.从 ZrN 薄膜的结构取向性来看,低真空度下ZrN(110)取向结构的耐磨性
11、能较高真空度下 ZrN(200)取向结构的耐磨性能更高.随着偏压的增大,磨痕宽度有减小的趋势.但从总体上看,偏压对膜层耐磨性能影响不大;从结构上看,偏压对衍射角有一定影响,但对 ZrN 晶面的择优趋向影响不大.用滤纸法对试样表面进行了孔隙率测定.测试结果(见表 1)表明,随着真空度的降低,孔隙率有所增大,膜层的致密性下降,即提高偏压有助于降低膜层的孔隙率,提高膜层致密性.表 1ZIN 薄膜的耐磨性和孔隙率真空度 Pa(偏压 150V)偏压 (真空度 0.25Pa)工艺条件O.25O.5O.8l0o15030o磨痕宽度(mm)O.343O.255O.234O.366O.343O.326孔隙率(个
12、/cm2)1.32.22.72.21.30.94 结语(1)沉积时的真空度对真空电弧沉积 ZrN 薄膜结构的择优取向有影响,真空度较高时为(200)晶面取向,真空度较低时为(110)晶面取向.(2)沉积时的偏压对真空电弧沉积 ZrN 薄膜的结构形态有影响,随着偏压的增大,膜层断面的组织形貌由较大的柱状晶向细晶柱状晶变化.(3)采用较高真空度和较低偏压的工艺组合或较低真空度和较高偏压的工艺组合沉积的 ZrN 薄膜工具技术可获得匹配较好的显微硬度与膜基结合力.(4)在高速钢表面沉积的 ZrN 薄膜具有很好的耐磨性能,低真空度下的 ZrN(110)取向结构的耐磨性能优于高真空度下的 zrN(200)
13、取向结构的耐磨性能.参考文献1IgarashiY,YamajiT,NishikawaS.AnewmechanismoffailIlreinsiliconP+/njunctioninducedbydiffusionbarriermetals.Jpn.J.App1.Phys,1990,29:L233723422BudkeE,KrempelHesseJ,MaidhofHeta1.DG3oratJYehardcoatingswithimprovedQAlrltosionresistance.Sur.Coat.Techno1.,1999,112:1081133 周建平,高玉芝等.衬底负偏压溅射对 ZrN
14、 薄膜性能影响的研究.北京大学,1991,27(5):629 6344 耿胜利,肖春涛等.溅射 FeZrN 薄膜的结构和磁性能.磁记录材料,1996,14(4):10 125 吴大维,张志宏等.直流反应磁控溅射法淀积 ZrN 薄膜.材料研究,1997,11(2):207 2086 胡社军,谢光荣,曾鹏等.多弧离子镀膜机 Bulat6 的技术特性.金属热处理,2000(11):4142第一作者:刘丽红,工学硕士,广东工业大学材料与能源学院,510643 广州市航空制造技术 Ib115718I 匏【=爵广_口订阅本刊为月刊 l20页,国际大 l6 开本,彩色精印,单价 lO 元.全年优惠价 100 元.2005年征订工作已经开始.欢迎单位,个人订阅.朋:I| _翟通信地址:北京 340 信箱杂志社(100024)电话:(010)85700465,85701422 转 264-269传真:(010)85700466E-wag:.fill
