偏壓對磁控濺射氮鋁鉻薄膜摩擦性能的影響

山西中北大學材料科學工程學院　沈淵　張寶紅*

偏壓對磁控濺射氮鋁鉻薄膜摩擦性能的影響

山西中北大學材料科學工程學院沈淵張寶紅*

本文采用了反應磁控濺射法在燒結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機Rtec（MFT5000）來表征。研究結果表明基底施加合適的負偏壓會使薄膜致密、摩擦系數(shù)降低。

磁控濺射；氮鋁鉻薄膜；摩擦性能

引言

為了進一步優(yōu)化氮鋁鉻薄膜的性能，許多研究者在改變其化學成分方面做出的大量研究，并取得了長足進步。鋁元素含量在氮化鉻中可以有較寬范圍的波動。同時，添加進氮化鉻薄膜中的鋁元素在晶格中的固溶強化效果使得氮鋁鉻硬度進一步提高。在鋁含量為40～60 at.%時，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)，如氮氣分壓、基底負偏壓等。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］等人研究了偏壓對氮鋁鉻薄膜顯微結構、硬度、韌性的影響。在施加50～260V偏壓時薄膜變得更加致密，同時由于壓應力的影響，薄膜硬度由10Gpa增加到26Gpa，韌性由1.67提高到2.02MPa·m1/2。

本文采用了反應磁控濺射法在燒結NdFeB上制備了氮鋁鉻薄膜，研究了基底負偏壓對薄膜顯微結構、耐磨性的影響。

1　試驗

1.1涂層制備

試驗用靶材尺寸為Φ100mm×5mm高純鉻、鋁，濺射使用氣體為高純氬氣，反應氣體為高純氮氣。試驗中背底真空抽至1.0×10-3Pa；向腔室內通入40 sccm高純氬氣，使真空度達到0.1Pa；氮鋁鉻薄膜沉積時打開靶前擋板，2個靶恒功率各300W，同時向腔室內沖入氬氣40sccm，氮氣16sccm。

1.2測試表征方法

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；摩擦磨損性能在室溫下采用多功能摩擦磨損試驗機Rtec（MFT 5000）來表征，摩擦副為直徑6mm的Si3N4小球，相對摩擦速度為20 mm/s，正壓力為5 N。

2　結果與討論

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點狀。在50V偏壓下，薄膜斷面為多孔的柱狀晶結構，隨著偏壓升高斷面結構向致密化發(fā)展，120V偏壓下，薄膜斷面結構最為致密。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著的原子過多的動能，這些多余的能量將會用于熔化或者毀壞剛生長出的薄膜而消失掉。［4］

圖2為偏壓與薄膜摩擦系數(shù)的關系。在圖1中，隨著偏壓升高薄膜柱狀晶晶粒明顯有細化趨勢，根據霍爾佩奇關系，薄膜的硬度也應隨之提高。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致的硬度提高［5，6］。

圖2　偏壓對CrAlN薄膜摩擦系數(shù)的影響

3　結論

采用反應磁控濺射法在燒結NdFeB表面連續(xù)地沉積氮鋁鉻薄膜，研究了基底負偏壓對薄膜結構及和摩擦系數(shù)的影響。研究結果表明偏壓由50V升高到120V時有助于薄膜致密化。力學性能測試表明在偏壓在一定范圍內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.氮鋁鉻薄膜的應用和特征 ［J］.表面薄膜技術，2005，200（5）：1507-1513.

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

［3］Wang Y X，Zhang S，Lee JW，et al.偏壓對磁控濺射CrAlN薄膜硬度和韌性的影響 ［J］.表面薄膜技術，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.偏壓對非平衡磁控濺射CrAlN薄膜結構和性能的影響［J］.應用表面科學，2012，258（8）：3864-3870.

［5］J.Creus，H.Mazille，and H.Idrissi：Porosity evaluation of protective coatings onto steel，through electrochemical techniques碳鋼電化學技術沉積防護薄膜的空隙評價.表面薄膜技術.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.141，164（2001）.

張寶紅為通信作者