含应力缓和层的硬质薄膜及其制备方法技术

含应力缓和层的硬质薄膜及其制备方法，通过在金属氮化物薄膜中，每隔一定间隔加入一定厚度的同样金属层构成的多层结构来降低薄膜的内部应力，防止薄膜从基体脱落。该多层膜是由沉积氮化物和沉积金属层两个过程重复交替进行而成。本发明专利技术可以解决传统硬质涂层当其厚度超过１０ｕｍ厚时，由于内部应力过高，而容易从金属基体表面脱落的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新材料领域，特别是涉及一种应用于工具、模具及汽车零部件等摩擦副零 部件表面强化处理时的含应力緩和层的硬质薄膜及其制备方法。技术背景通过对摩擦副零部件表面沉积硬质涂层，从而增加其耐磨性和寿命的研究已有公布， 这方面的专利技术也有一些，如在一些专利中记载了硬度为HV1700的CrN/Cr2N两相混合 薄膜的开发。另有一些专利记载了以CrSiN、 TiSiN为代表的纳米复合结构薄膜技术。但是，对这些硬质薄膜来说，当厚度超过10um时，薄膜内部应力将变得很大，导致 薄膜剥落。特别采用离子镀膜技术所获得的薄膜，当膜厚为2 3um时，没有任何问题，但 是，当膜厚超过10um时内部应力会超过3GPa而引起薄膜脱落。具有高内应力的TiN薄膜 尤其如此，当厚度达到5um以上时就会脱落。为了防止厚膜的脱落，常采用的方法是在薄膜中设置应力释放层。例如，通过热处理 在TiN与Al合金形成一层TiAl3反应层可以起到释放应力的作用。另外，在薄膜与基体间 沉积一层热膨胀系数介于两者间的过渡层可以緩解薄膜中的内应力。虽然这些技术并不是关于硬质薄膜的，但是，可以给我们一定的启示即在硬质厚膜 与基体间设置具有适当热膨胀系数的材料可以緩解薄膜内部应力，从而到达防止薄膜脱落 的目的。但是，在实际应用中发现，对于10um以上的硬质厚膜，或5um以上的硬质TiN厚膜， 仅仅一层应力释放层并不能充分释放薄膜的内部应力。同时，对于像离子镀膜技术这种成 膜原材料有限的薄膜沉积技术来说，适合作为应力释放层的材料极为有限，因此有时很可 能难于得到具有合适热膨胀系数的中间层。在曰本权田俊一主编的《薄膜制备应用手册》中不但揭示了采用溅射沉积技术沉积薄 膜时上述热应力的产生，还阐述了由于氛围气体、金属离子的钉扎效应引起的薄膜内部压 缩应力。并指出通过对氛围气体压力、离化等成膜参数的优化可以緩解这种应力，但是一 点也没有涉及到采用应力释放层来緩解这种压缩应力的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种含应力緩和层的硬质薄膜及其制备方法，该方法可以充分緩解厚度10um(对TiN薄膜来说5um)以上，至数十um的硬质薄膜的内部应力，同时，采用 诸如离子镀膜技术这种薄膜沉积原材料有限的方法也可获得较厚的硬质薄膜，用该方法获 得的硬质薄膜含有多层应力緩和层，从而解决传统硬质涂层当其厚度超过10um厚时，由 于内部应力过高，而容易从金属基体表面脱落的问题。本专利技术是在沉积硬质氮化物陶瓷薄膜(TiN、 CrN、 TiAlN、 TiCrN等)及硬质纳米复合氮 化物(TiSiN、 CrSiN等)薄膜时，通过在薄膜中按一定间隔设置一定数量的金属应力緩和层， 金属应力緩和层可为Ti层或Cr层，以此来减小薄膜内部应力防止薄膜的脱落。应力緩和 层的间隔与薄膜种类相关， 一般以1. 5~4. 5um为好，最好是在2. 0~3. 5um范围内。另外， 应力緩和层的厚度一般推荐为10~52nm，最好是在20~45nm范围内。同时，本专利技术还包括采用离子镀膜技术，使金属或合金阴极蒸发获得金属离子，然后 使这些金属离子在氮气气氛中发生反应生成硬质氮化物薄膜，在氩气气氛中反应生成金属 应力緩和层，通过一定时间间隔交替通入氮气和氩气得到具有规定厚度的氮化物和金属交 替层。本专利技术的有益效果是采用本专利技术后，即使数十um到数百um的厚膜，也能够充分緩 解其内部应力，同时，即使采用离子镀膜这类薄膜沉积原材料有限的技术也能够获得厚度 足够大的硬质薄膜。附图说明下面结合附图、实施例和比较例对本专利技术作进一步描述。 图1是实施例1中得到的薄膜的断面图。图2是实施例1~4及比较例1~2中所获得的薄膜的内部应力与应力緩和层层间距间的关系。图3是实施例2及5~7与比较例3~4中所获得的薄膜的内部应力与应力緩和层的厚度 间的关系。图4时实施例2及5~7与比较例3~4中所获得的薄膜的奴氏硬度与应力緩和层厚度间 的关系。符号说明 1:铁系基体 2:打底层3: CrN层(氮化物薄膜) 4: Cr层(应力緩和层)具体实施方式为了对本专利技术加以详细说明，我们采用离子镀膜技术，使用最少限度的元素，即金属 阴极采用了 Cr,氛围气体采用了氮气和氩气的交替，以此获得的CrN薄膜为例来加以说明。 另夕卜，采用同样的方法，将阴极改为Ti，即可获得类似结构的TiN薄膜，将阴极改为Cr-Si 合金，即可获得类似结构的CrSiN硬质薄膜。同样，将氮气用曱烷等CH类气体与氮气的 混合气体代替即可获得类似结抅的CrCN硬质薄膜。以此类推，通过变换阴极和氛围气体 的种类即可得到各种各样的硬质薄膜。由于采用的基体材料多是可以用作为制作工具或发动机摩擦副零部件的材料，所以通 常是铁系材料，特别是高速钢、SUS440和SCM钢。为了在这些铁系基体上得到具有良好附 着力的CrN薄膜，推荐首先用Cr层打基，即首先在基体表面形成一层厚度为数十到数百 nm左右的Cr层。以下，通过实际的使用例子对本专利技术加以详细说明。实施例1采用的镀膜设备为电弧离子镀膜设备，共有6个阴极，均采用了 Cr为阴极靶材，氛 围气体为氮气和氩气。首先在铁系基体上沉积一层Cr层打基，然后在其上沉积了CrN薄 膜。沉积CrN薄膜时，首先在氮气氛围气体中给Cr阴极通电，使Cr蒸发并离化，时间6 Omin, 然后，将氮气换为氩气，在氩气氛围气体中给Cr阴极通电使其蒸发并离化，时间2min， 最后再将氩气换为氮气，在氮气氛围气体中再沉积60min的CrN，这样重复数次，即得到 具有Cr金属应力緩和层的CrN厚膜。通过透射电子显微镜观察后，发现采用上述方法后获得了如图l所示多层结构的CrN 薄膜，即在Cr基层上形成了每4um厚CrN层加一层厚度为30nm的Cr层的5层结构，所 得的CrN/Cr/CrN......多层薄膜总厚度高达12um。采用X射线衍射法对上述多层薄膜进行的内部应力测试结果为-l. 7GPa。"-"号表示 薄膜内部为压缩应力。由于内部应力的值小于2GPa,因此薄膜在实际使用中属于难于脱落 的范围。实施例2采用与实施例1 一样的方法获得了 CrN/Cr/CrN多层膜，多层膜沉积时间分别为 CrN45min、 Cr2min、 CrN45min、 Cr2min、 CrN45min、 Cr2min、 CrN45min,这才羊形成了打底 层上每3umCrN层后一层30nmCr层，总厚同样为12um的7层结构厚膜。测得的内部应力 为-1. 3GPa。实施例3采用与实施例1 一样的方法获得了 CrN/Cr/CrN多层膜，多层膜沉积时间分别为 CrN36min、 Cr2min、 CrN36min、 Cr2min、 CrN36min、 Cr2min、 CrN36min,这样形成了打底 层上每2. 4umCrN层后一层30nmCr层，总厚同样为12um的9层结构厚膜。测得的内部应 力为-1. 4GPa。实施例4采用与实施例1 一样的方法获得了 CrN/Cr/CrN多层膜，多层膜沉积时间分别为 CrN30min、 Cr2min、 CrN30min、 Cr2min、 CrN30min、 Cr2min、 CrN30min,这冲羊形成了打底 层上每2umCrN层后一层30nmCr层，总厚同样为本文档来自技高网...

【技术保护点】
含应力缓和层的硬质薄膜，其特征在于，在硬质薄膜中间隔含有相同金属的应力缓和层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：聂朝胤，田鹏，曲燕青，张碧云，
申请(专利权)人：西南大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]