山西中北大學(xué)機電工程學(xué)院　丁雪峰　吳耀金*

燒結(jié)釹鐵硼磁控濺射氧化物薄膜性能研究

山西中北大學(xué)機電工程學(xué)院丁雪峰吳耀金*

采用直流脈沖磁控濺射法，在燒結(jié)釹鐵硼磁體表面沉積了厚度約為700nm的氧化鋯、氧化鉻、氧化鋁、氧化鈦薄膜。使用掃描電鏡、納米壓痕儀分別表征了薄膜的形貌、硬度和彈性模量。采用電化學(xué)工作站測試了薄膜的動電位極化曲線，考查了其防腐蝕性能。研究結(jié)果表明在施加離子束輔助條件下薄膜更加致密，性能較好。其中氧化鈦薄膜硬度最高，達23Gpa。由于氧化鋁薄膜為非晶結(jié)構(gòu)，在防腐蝕能力方面表現(xiàn)更出色，相比于基底其腐蝕電流密度降低45倍之多。

燒結(jié)釹鐵硼；磁控濺射；氧化物薄膜

引言

由于燒結(jié)釹鐵硼磁體的多相結(jié)構(gòu)、富釹相較高的電化學(xué)活性、磁體內(nèi)部存在的雜質(zhì)等因素導(dǎo)致了耐腐蝕性能較差，限制了其進一步的應(yīng)用［1，2］。所以如何提高燒結(jié)釹鐵硼磁體的耐腐蝕性能成為亟待解決的問題。

目前，提高燒結(jié)釹鐵硼磁體耐腐蝕性能主要有兩種方法：一是添加元素法提高其自身耐腐蝕性能［3，4］，二是表面防護法［5，6］。

在工件表面采用物理氣相沉積法制備N、C、O陶瓷類硬質(zhì)化合物薄膜是提高工件性能的一個主要方法。冒守棟［1］采用反應(yīng)磁控濺射法在燒結(jié)NdFeB表面制備多層鋁/三氧化二鋁膜，電化學(xué)極化測試結(jié)果表明相比于NdFeB，鍍膜后其腐蝕電流密度降低近4個數(shù)量級。Harish C.Et al.［2］研究了在不同氧氣流量下磁控濺射氧化鉻薄膜的特征及防腐蝕性能，鍍膜后基體耐腐蝕性能明顯提高。

本文采用反應(yīng)磁控濺射法在燒結(jié)釹鐵硼表面沉積氧化鋯、氧化鉻、氧化鋁、氧化鈦陶瓷類薄膜。對比了各氧化物薄膜的結(jié)構(gòu)特征及其力學(xué)性能，并用電化學(xué)測試方法評價了薄膜對燒結(jié)釹鐵硼磁體的防護效果。

1　試驗

1.1涂層制備

用拋光燒結(jié)NdFeB作為基底。采用自行設(shè)計的稀土永磁材料磁控濺射系統(tǒng)沉積薄膜。試驗用靶材尺寸為Φ100mm×5mm高純鋯、鉻、鋁、鈦（中諾新材，99.99%），濺射使用氣體為高純氬氣（99.999%），反應(yīng)氣體為高純氧氣（99.999%）。試驗中背底真空抽至1.0×10～3Pa；向腔室內(nèi)通入40 sccm高純氬氣，使真空度達到0.1Pa；氬氣離子清洗30min后，在靶前擋板關(guān)閉狀態(tài)下進行靶表面清洗，2個靶恒功率800W，清洗15min；濺射氧化物薄膜時打開靶前擋板，在釹鐵硼、硅片上沉積純厚度約為50 nm的純金屬過渡層，2個靶恒電壓230V，偏壓-100V，end-Hall離子源能量為150V×1A。

1.2測試表征方法

采用表面輪廓儀（Alpha-Step，IQ）通過檢測Si片上沉積薄膜區(qū)與未沉積區(qū)高度差得到薄膜厚度；膜-基結(jié)合力使用微機控制電子萬能試驗機（CMT5105）測得；使用配備能譜儀（EDS）的場發(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；采用多晶X射線衍射儀（XRD，D8 Advance， Bruker）表征薄膜晶體結(jié)構(gòu)；使用納米壓痕儀（NANO G200，MTS）連續(xù)剛度法測試薄膜硬度；動電位極化曲線采用電化學(xué)工作站（PGSTAT302，Ecochimie）三電極系統(tǒng)測得，其中參比電極：飽和甘汞電極（SCE），對電極：Pt片，工作電極：鍍膜試樣，測試溶液為5 wt.%NaCl溶液。

2　結(jié)果與討論

圖1為施加離子束輔助技術(shù)各氧化物薄膜斷面形貌。從圖中可以看出，薄膜都均勻地鋪展在基底上，沒有發(fā)現(xiàn)明顯缺陷如孔洞、斷裂現(xiàn)象等。由于施加離子束輔助，提高了腔室內(nèi)Ar+濃度，增加了Ar+與金屬原子碰撞的幾率，提高了金屬原子能量，導(dǎo)致剛沉積到膜表面的金屬原子遷移能力增加、形核率提高，并且可以克服“陰影效應(yīng)”使金屬原子遷移到薄膜的孔穴中，最終使得薄膜致密度提高，柱狀晶幾乎完全消除［3］。

圖1　施加離子束輔助技術(shù)氧化物薄膜斷面形貌

圖2為磁控濺射氧化物薄膜的硬度和彈性模量?？煽吹?，氧化物陶瓷類薄膜的硬度和彈性模量都較高。這也是其作為硬質(zhì)涂層、耐磨涂層的一個原因。通常，可以通過內(nèi)部方法和外部方法來提高薄膜的性能［4-6］。內(nèi)部的強化方法即通過改變原子間鍵的結(jié)合方式，外部強化方法即取決于薄膜的結(jié)構(gòu)［7］。各類氧化物薄膜硬度不同，除取決于材料本身性質(zhì)外，還與其制備方法有關(guān)。離子束輔助技術(shù)產(chǎn)生的薄膜較為致密，可以很好地提高薄膜硬度。

圖2　氧化物薄膜的硬度和彈性模量

圖3為施加離子束輔助技術(shù)后氧化物薄膜在5 wt.%NaCl溶液中的動電位極化曲線。除氧化鋯薄膜腐蝕電位稍有負移外，其他薄膜均正移，氧化鈦腐蝕電位相比于NdFeB基底正移0.23V。還可以看出所制備的薄膜腐蝕電流密度均有降低，氧化鋁薄膜的腐蝕電流密度相比于基底降低45倍之多，展現(xiàn)出了最好的防腐蝕性能。之所以氧化鋁薄膜的防腐蝕能力如此強，是因為薄膜為非晶結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)相比于晶體結(jié)構(gòu)更加致密，阻擋了溶液滲透到基底的路徑。

圖3　離子束輔助沉積氧化物薄膜、基底動電位極化曲線

3　結(jié)論

采用直流脈沖反應(yīng)磁控濺射法成功地在燒結(jié)釹鐵硼磁體表面沉積了4種氧化物陶瓷類防腐蝕薄膜，對比了不同氧化物薄膜各自的優(yōu)點。在沉積過程中施加離子束輔助技術(shù)后薄膜結(jié)構(gòu)更加致密、均勻。薄膜具有陶瓷類薄膜硬度高的優(yōu)點，其中氧化鈦薄膜硬度最高，達23Gpa。防腐蝕能力最好的為非晶氧化鋁薄膜，相比于基底其腐蝕電流密度降低45倍之多。本文提供了根據(jù)不同防護重點，選擇合適的薄膜的一個參考標準。但由于所制備的薄膜較薄，約700nm，其防腐蝕性能與其他研究者的結(jié)論相比會略低，因此氧化物陶瓷類薄膜厚度對性能的影響需進一步深入研究。

［1］Mao S，Yang H，Huang F，et al.燒結(jié)釹鐵硼磁控濺射Al/Al2O3多層薄膜的腐蝕性為 ［J］.應(yīng)用表面科學(xué)，2011，257（9）：3980-3984.

［2］Barshilia H C，Rajam K S.直流脈沖非平衡反應(yīng)磁控濺射氧化鉻薄膜的生長和特性 ［J］.應(yīng)用表面科學(xué)，2008，255（5）：2925-2931.

［3］Kim S H，Lee JH，Hwangbo C K，et al.離子束輔助直流反應(yīng)磁控濺射氧化鈦薄膜［J］.表面薄膜技術(shù)，2002，158：457-464.

［4］Liu Z J，Shum P W，Shen Y G.納米結(jié)構(gòu)Ti-Al-N固溶體的強化機制［J］.固體薄膜，2004，468（1）：161-166.

［5］Jhi S H，Louie S G，Cohen M L，et al.過渡金屬碳化物、氮化物的空位強化軟化［J］.物理評論快報，2001，86（15）：3348.

［6］Gao F，He J，Wu E，et al.Hardness of covalent crystals共價鍵晶體的硬度［J］.物理評論快報，2003，91（1）：015502.

［7］Wang T G，Jeong D，Liu Y，et al.弧光離子鍍納米氧化鉻薄膜機制研究和摩擦性能 ［J］.表面薄膜技術(shù)，2012，206（10）：2638-2644.

百科知識

吳耀金為通信作者