(TiZr)N硬质膜的沉积工艺研究

　　本文主要研究(TiZr)N硬质膜的沉积工艺波动范围及影响。考察了阴极靶电流、N2气流量等工艺参数对膜层组织和性能的影响。研究表明，沉积工艺参数的波动变化不会对膜层组织、力学性能产生明显影响。(TiZr)N硬质膜的沉积工艺参数可以有较大的波动范围，沉积工艺窗口具有良好的可应用性。

　　(TiZr)N硬质膜是一种在硬度、红硬性等性能方面明显优于TiN的硬质反应膜，近年来引起国内外广泛的研究兴趣。这些研究主要集中于Ti\Zr 成分配比、制备方法、组织结构等方面。而关于沉积工艺适应性方面的研究还较少，(TiZr)N硬质膜还没有广泛的实际应用。作为一种硬质膜层，其沉积工艺的适应性或称为沉积工艺窗口，对于在涂层刀具、涂层模具上的应用而言，具有不可忽视的实际意义。因此，本文针对两种具有较大差别成分配比的(TiZr)N 硬质膜进行工艺适应性研究，以期确定(TiZr)N硬质膜沉积工艺的适应性。

　　试验材料与试验方法

　　采用多弧离子镀技术制备(TiZr)N硬质膜。选用两个不同方位且成90 度配置的弧源同时起弧沉积，其中一个弧源为纯度99.9%的商用纯钛靶或者纯锆靶；另一个弧源为纯度99.9%的商用钛锆合金靶，钛锆合金靶的原子比为Ti:Zr=50:50。选用打磨后的高速钢块作为基片。在正式沉积(TiZr)N硬质膜之前，进行离子轰击清洗，即，当镀膜室背底真空度达到8.0×10^-3 Pa、温度达到200℃时充入氩气，使镀膜室真空度达到2.5×10^-1 Pa，开启两弧源，保持弧电流在55~56A，进行离子轰击10~12min，轰击偏压从350V 逐渐增加到400V；轰击清洗之后进行金属过渡层的沉积，即，将镀膜室内的氩气压强保持在2.0×10^-1 Pa，钛靶、锆靶、和钛锆合金靶的弧电流均置于55 A~60 A，工件偏压为190 V~200 V，沉积时间5min。然后，进行(TiZr)N 硬质膜的沉积，沉积偏压选定为160±2V。(TiZr)N 硬质膜具体沉积工艺如表1 所示。

表1 沉积工艺参数

　　(TiZr)N 硬质膜层表面形貌、断口形貌以及膜层成分采用HITACHIS-3400N 扫描电镜(能谱)进行分析；膜层相结构采用X 射线衍射仪并结合Jade 6.5 电子PDF 卡片进行确定。表面硬度测试采用HXD-1000TMB/LCD 型液晶屏显示自动转塔显微硬度计，载荷为10gf，载荷保持时间为20s。附着力和摩擦系数采用多功能材料表面性能试验仪(MFT-4000)进行测试。

　　结论

　　在采用Zr 靶与Ti 靶组合或者Zr 靶与Ti-Zr靶组合沉积(TiZr)N 硬质膜的过程中，阴极弧电流、N2 流量等工艺参数的有限波动不会对(TiZr)N 硬质膜层表面成分、膜层组织、力学性能产生明显影响，所制备的(TiZr)N 硬质膜具有硬度较高、附着力强、摩擦系数低等特点，沉积工艺窗口具有良好的可应用性。