山西中北大學(xué)材料科學(xué)工程學(xué)院　沈淵　張寶紅*

偏壓對(duì)磁控濺射氮鋁鉻薄膜摩擦性能的影響

山西中北大學(xué)材料科學(xué)工程學(xué)院沈淵張寶紅*

本文采用了反應(yīng)磁控濺射法在燒結(jié)NdFeB表面連續(xù)地沉積了氮鋁鉻薄膜。使用掃描電鏡表征了薄膜的形貌。摩擦磨損性能在室溫下采用多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)Rtec（MFT5000）來表征。研究結(jié)果表明基底施加合適的負(fù)偏壓會(huì)使薄膜致密、摩擦系數(shù)降低。

磁控濺射；氮鋁鉻薄膜；摩擦性能

引言

為了進(jìn)一步優(yōu)化氮鋁鉻薄膜的性能，許多研究者在改變其化學(xué)成分方面做出的大量研究，并取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。鋁元素含量在氮化鉻中可以有較寬范圍的波動(dòng)。同時(shí)，添加進(jìn)氮化鉻薄膜中的鋁元素在晶格中的固溶強(qiáng)化效果使得氮鋁鉻硬度進(jìn)一步提高。在鋁含量為40～60 at.%時(shí)，薄膜的最高硬度在20～55Gpa之間［1］。另外一種提高薄膜性能的方法是改變薄膜沉積過程中的參數(shù)，如氮?dú)夥謮骸⒒棕?fù)偏壓等。有研究表明偏壓在0～120V間，可以顯著改變薄膜的斷裂韌性［2］。Wang［3］等人研究了偏壓對(duì)氮鋁鉻薄膜顯微結(jié)構(gòu)、硬度、韌性的影響。在施加50～260V偏壓時(shí)薄膜變得更加致密，同時(shí)由于壓應(yīng)力的影響，薄膜硬度由10Gpa增加到26Gpa，韌性由1.67提高到2.02MPa·m1/2。

本文采用了反應(yīng)磁控濺射法在燒結(jié)NdFeB上制備了氮鋁鉻薄膜，研究了基底負(fù)偏壓對(duì)薄膜顯微結(jié)構(gòu)、耐磨性的影響。

1　試驗(yàn)

1.1涂層制備

試驗(yàn)用靶材尺寸為Φ100mm×5mm高純鉻、鋁，濺射使用氣體為高純氬氣，反應(yīng)氣體為高純氮?dú)狻Ｔ囼?yàn)中背底真空抽至1.0×10-3Pa；向腔室內(nèi)通入40 sccm高純氬氣，使真空度達(dá)到0.1Pa；氮鋁鉻薄膜沉積時(shí)打開靶前擋板，2個(gè)靶恒功率各300W，同時(shí)向腔室內(nèi)沖入氬氣40sccm，氮?dú)?6sccm。

1.2測(cè)試表征方法

使用配備能譜儀（EDS）的場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，F(xiàn)EI Quanta FEG 250）分析薄膜表面、斷面形貌及成分；摩擦磨損性能在室溫下采用多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)Rtec（MFT 5000）來表征，摩擦副為直徑6mm的Si3N4小球，相對(duì)摩擦速度為20 mm/s，正壓力為5 N。

2　結(jié)果與討論

圖1　磁控濺射CrAlN薄膜不同偏壓下形貌變化

圖1展示了不同偏壓下氮鋁鉻薄膜的形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著偏壓升高，薄膜表面形貌由片層狀變?yōu)橹旅艿膱A點(diǎn)狀。在50V偏壓下，薄膜斷面為多孔的柱狀晶結(jié)構(gòu)，隨著偏壓升高斷面結(jié)構(gòu)向致密化發(fā)展，120V偏壓下，薄膜斷面結(jié)構(gòu)最為致密。在50V偏壓下，離子轟擊能量促使原子遷移率增加，造成晶粒較粗大。偏壓由50V升高到80V后，合適的離子束能量將會(huì)使薄膜致密化。隨著偏壓近一步升高到120V，由于離子束帶給正在生長(zhǎng)著的原子過多的動(dòng)能，這些多余的能量將會(huì)用于熔化或者毀壞剛生長(zhǎng)出的薄膜而消失掉。［4］

圖2為偏壓與薄膜摩擦系數(shù)的關(guān)系。在圖1中，隨著偏壓升高薄膜柱狀晶晶粒明顯有細(xì)化趨勢(shì)，根據(jù)霍爾佩奇關(guān)系，薄膜的硬度也應(yīng)隨之提高。眾所周知，薄膜硬度越高其摩擦系數(shù)就越低。120V偏壓下制備的薄膜具有較低的摩擦系數(shù)可歸因于晶粒尺寸的減小和致密度的增加而導(dǎo)致的硬度提高［5，6］。

圖2　偏壓對(duì)CrAlN薄膜摩擦系數(shù)的影響

3　結(jié)論

采用反應(yīng)磁控濺射法在燒結(jié)NdFeB表面連續(xù)地沉積氮鋁鉻薄膜，研究了基底負(fù)偏壓對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)及和摩擦系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明偏壓由50V升高到120V時(shí)有助于薄膜致密化。力學(xué)性能測(cè)試表明在偏壓在一定范圍內(nèi)升高有助于減小薄膜的摩擦系數(shù)。

［1］Spain E，Avelar-Batista J C，Letch M，et al.氮鋁鉻薄膜的應(yīng)用和特征 ［J］.表面薄膜技術(shù)，2005，200（5）：1507-1513.

［2］Chunyan Y，Linhai T，Yinghui W，et al.基體偏壓對(duì)CrAlN涂層改性離子束增強(qiáng)磁控濺射沉積的沖擊性能的影響［J］.應(yīng)用表面科學(xué)，2009，255（7）：4033-4038.

［3］Wang Y X，Zhang S，Lee JW，et al.偏壓對(duì)磁控濺射CrAlN薄膜硬度和韌性的影響 ［J］.表面薄膜技術(shù)，2012，206（24）：5103-5107.

［4］Lv Y，Ji L，Liu X，et al.Influence of substrate biasvoltage on structure and properties of the CrAlN films deposited by unbalanced magnetron sputtering［J］.Applied Surface Science，2012，258（8）：3864-3870. Lv Y，Ji L，Liu X，et al.偏壓對(duì)非平衡磁控濺射CrAlN薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響［J］.應(yīng)用表面科學(xué)，2012，258（8）：3864-3870.

［5］J.Creus，H.Mazille，and H.Idrissi：Porosity evaluation of protective coatings onto steel，through electrochemical techniques碳鋼電化學(xué)技術(shù)沉積防護(hù)薄膜的空隙評(píng)價(jià).表面薄膜技術(shù).130，224（2000）.

［6］C.Liu，A.Leyland，Q.Bi，and A. Matthews：離子束輔助物理氣相沉積剁成氮化鈦、氮化鉻薄膜的腐蝕性能.表面薄膜技術(shù).141，164（2001）.

張寶紅為通信作者