W含量对CrSiWN薄膜微观结构、力学及摩擦性能的影响

2013-12-14 陈超江苏科技大学先进焊接技术江苏省重点实验室

　　采用射频磁控溅射制备不同W含量的CrSiWN薄膜。利用X射线衍射、扫描电镜、能量散射谱、纳米压痕仪和摩擦磨损实验机对薄膜的相结构、形貌、成分和摩擦性能进行分析。结果表明，CrSiWN薄膜为fcc结构，具有(111)择优取向，薄膜主要为W固溶在CrSiN薄膜中的置换固溶体。随W含量的升高，薄膜晶格常数及晶粒尺寸逐渐增大，抵抗塑性变形能力(H3/E2)逐渐降低。由于固溶强化和晶粒增大的共同作用，薄膜显微硬度随W含量的增加先升高后降低。由于薄膜抵抗塑性变形能力随W含量逐渐降低，导致薄膜平均摩擦系数逐渐增高。当W含量为13.20%时，薄膜综合性能最优。

　　目前，改良刀具力学及摩擦性能的重要途径之一便是薄膜技术。研究表明，过渡金属的氮化物涂层具有较高的硬度和优异的摩擦磨损性能，其中，由于具有较高的硬度及良好的稳定性，CrN薄膜便是具有代表性的二元薄膜体系，现已广泛的应用于刀具制造业中。

　　随着现代加工技术的发展，要求应用于刀具的涂层具有更高的硬度，并兼具优良的摩擦磨损性等苛刻的服役要求，传统的CrN涂层已不能完全胜任。因此，人们开始尝试将某些金属元素引入CrN系涂层中以期能改良其性能。最近，国内外学者在CrN薄膜中引入W、Si等元素制备三元CrXN薄膜(X=W、Si)，研究表明，CrXN薄膜较之CrN薄膜具有更高的硬度和更优异的热稳定性能。例如，同等试验条件下，CrSiN薄膜平均摩擦系数比CrN下降0.3，体现出良好的减磨效果;CrWN薄膜显微硬度较之CrN有大幅提高。

　　目前，国内外学者虽对三元CrXN薄膜的微观组织相关性能进行研究，但是，对CrN基四元薄膜的研究鲜有涉及。通过以上综述知道，Si元素的引入主要提升CrN基薄膜的减磨性能;W元素的引入主要提升CrN基薄膜的力学性能。由此，有理由相信，Si及W元素的共同引入能够同时改良CrN基薄膜的力学及摩擦性能，然而，目前对CrSiWN薄膜的研究鲜有报道。

　　本文采用射频磁控溅射的方法来制备一系列W含量不同的CrSiWN薄膜，对其微结构、力学及摩擦性能等进行研究。

1、实验方法

　　采用直径为75mm，纯度分别为99.95%的Cr靶、99.9%的W靶和纯度为99.9%的Si靶，用JGP450复合型高真空多靶磁控溅射设备在单晶Si和不锈钢基底上制备不同成分的薄膜，其中，基底为单晶Si的薄膜用于相结构、成分和显微硬度测试，不锈钢基底的薄膜用于摩擦性能测试。实验过程如下:将基底材料依次在无水乙醇和丙酮中超声波清洗15min，用热空气吹干后装入真空室中的可旋转基底架上，固定靶到基底的距离固定为11cm;抽真空使真空室本底真空度优于6.0×10-4Pa后通入纯度为99.999%的高纯Ar起弧，用挡板遮挡基底，对各靶进行10min预溅射以除去靶材表面的氧化物和杂质;移去挡板，然后通入纯度为99.999%的高纯N2作为反应气体进行沉积，通过调节工艺参数获得不同W含量的CrSiWN薄膜，为了便于比较分析，还制备了CrSiN薄膜。制备CrSiN和CrSiWN薄膜前，在基底上预溅射约200nm的Cr过渡层，以增强膜基结合力，Ar与N2的流量比值10∶4，真空室气压0.3Pa，溅射时间120min，Cr靶功率200W，Si靶120W，通过调整W靶的功率，获得厚度为2μm左右的CrSiN和不同W含量(原子分数)的CrSiWN薄膜。采用XRD-6000型X射线衍射(XRD，CuKα)仪分析薄膜的微观组织，电压为40kV，电流为35mA。采用CPX+NHT2+MST纳米压痕仪/划痕仪测试薄膜的显微硬度和膜基结合力。测薄膜硬度时，为确保结果的可靠性，对每一试样选择9点进行测试，这9点成3×3的阵列分布，间距10μm。一般而言，当压痕深度小于薄膜厚度的10%的时候，测试结果不受基底的影响，硬度测试的压痕深度为60～90nm，保证了薄膜的力学性能不受基片的影响。采用JEM-6480型扫描电子显微镜(SEM)及其附配的INCA型能谱(EDS)仪观察薄膜的表面形貌并对薄膜中Cr、Si和W含量进行分析。采用UMT-2CETR摩擦磨损试验机测试薄膜的摩擦性能，摩擦形式为球-盘式圆周摩擦，摩擦头为直径9.38mm的Al2O3球，载荷3N，相对转速50r/min，摩擦半径4mm，摩擦时间30min。

　　1.1、CrSiWN薄膜的微观组织及力学性能

　　图1给出了CrSiWN薄膜中Cr、Si和W的相对原子含量随W靶功率的变化。可知，随着W靶功率的升高，CrSiWN薄膜中W含量逐渐升高，Si含量基本保持不变，Cr含量逐渐降低。这是因为，在一定范围内，溅射产额随着入射离子能量的增大而逐渐增加，溅射功率增加致使Ar+离子的能量增大，单位时间内到达样品表面的溅射粒子数增加，故导致W靶功率与薄膜沉积速率与膜厚呈上述变化。文章以下所述W含量均为W相对于(W+Cr+Si)的原子百分含量。

CrSiWN薄膜中Cr、Si和W的相对原子含量随W靶功率的变化