采用輝光弧光協(xié)同共放電混合鍍方法在A3 碳鋼基體上沉積氮化鈦薄膜，通過改變Ar /N2流量比，研究Ar /N2流量比對(duì)TiN 薄膜結(jié)構(gòu)及硬度的影響。X 射線衍射譜圖表明制備的TiN 有明顯的(111) 晶面擇優(yōu)取向；Ti2p 的X 射線光電子譜譜峰擬合分析表明Ti2p1 /2 峰和Ti2p3 /2 峰均有雙峰出現(xiàn)，可知氮化物中的Ti 存在不同的化學(xué)狀態(tài)，整個(gè)膜層是由TiN，TiO2，TiNxOy化合物組成的復(fù)合體系，Ar /N2流量比影響各成分的含量。對(duì)比硬度的變化和組成成分之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，膜層硬度隨著含TiN 量的增多而增大，當(dāng)Ar /N2流量比為3：1 時(shí)，硬度最大。

　　TiN 薄膜具有光亮的金黃色、高硬度、基本不會(huì)與相接觸的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)有干潤(rùn)滑、抗粘附作用、摩擦系數(shù)低、可以承受一定的彈性變形等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)作為一種硬質(zhì)薄膜應(yīng)用到刀具、模具等零部件表面上，大大的提高了零部件的使用壽命。氣相沉積金屬薄膜種類眾多，性質(zhì)各異，作為涂層材料在包括表面工程在內(nèi)的現(xiàn)代工業(yè)各領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。與目前廣泛采用的電鍍涂層技術(shù)相比，氣相沉積具有可獲得的材料種類更多、合金化和復(fù)合化更方便、涂層質(zhì)量更高、無污染的諸多優(yōu)勢(shì)，因而科研人員對(duì)TIN 薄膜的制備及性能進(jìn)行了深入的研究。

　　但是在工業(yè)應(yīng)用上，金屬件的鍍膜，既要求膜層有一定的硬度和致密性，又要實(shí)現(xiàn)快速鍍制。針對(duì)這兩方面的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了弧光輝光共放電氣相沉積(arc plating and sputtering cement deposition，APSCD)混合鍍膜機(jī)，設(shè)計(jì)了多弧圓柱靶與磁控濺射圓柱靶材水平分置基材兩側(cè)共放電的結(jié)構(gòu)，基材表面在沉積了多弧離子鍍大顆粒的同時(shí)也沉積了磁控濺射的小顆粒，一方面利用了多弧離子鍍的高離化率及良好的膜基界面層結(jié)合力，另一方面利用了磁控濺射沉積薄膜的致密性，形成了一種混凝土式的共混結(jié)構(gòu)。本文在固定其它工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上研究了Ar/N2流量比對(duì)TiN 薄膜結(jié)構(gòu)及硬度的影響。

1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法

　　1.1、弧光輝光共放電鍍膜機(jī)

　　使用深圳市天星達(dá)真空鍍膜設(shè)備有限公司改造后的弧光輝光協(xié)同共放電真空鍍膜機(jī)，其結(jié)構(gòu)和工作原理詳見文獻(xiàn)。

　　1.2、實(shí)驗(yàn)方法

　　采用直徑Φ70 mm，純度為99. 99%的金屬Ti 靶作為濺射靶材，分別采用純度為99. 99% 的Ar 氣和N2氣作為工作氣體和反應(yīng)氣體，樣品基體材料為Φ10 mm × 5 mm 的A3 鋼，樣品依次經(jīng)過600#、800#、1000#、1200#砂紙逐次打磨，然后用拋光膏在拋光機(jī)上拋光。將拋光好的金屬樣品依次用丙酮、酒精超聲波清洗10 min，最后用熱風(fēng)機(jī)吹干。實(shí)驗(yàn)過程如下: 先將鍍膜機(jī)本底真空抽到2.4 × 10^{- 2} Pa，然后充入Ar 氣至4.0 × 10 ^-1 Pa，開啟電源濺射Ti 靶15 min作為過渡層，通過質(zhì)量流量計(jì)來控制氬氣和氮?dú)獾某淙肓浚�改變氬氣與氮?dú)獾牧髁恐�比，濺射TiN 薄膜75 min，關(guān)閉電源取出樣品。

表1 試驗(yàn)樣品編號(hào)及工藝參數(shù)

　　表面形貌檢測(cè)采用哈工大原子力學(xué)顯微鏡(AFM) ，掃描范圍5 μm，利用其離線軟件對(duì)薄膜的顆粒尺寸、表面粗糙度進(jìn)行分析；用德國(guó)布魯克公司的D8A 型X 射線衍射儀( XRD) 對(duì)試樣進(jìn)行物相分析，實(shí)驗(yàn)采用銅靶，光管電壓40 kV，電流40 mA，掃描步長(zhǎng)0.020，時(shí)間步長(zhǎng)0.05 s；薄膜成分分析采用美國(guó)物理電子公司生產(chǎn)的型號(hào)為PHI 5700 ESCASystem 的X 光電子能譜( XPS) 儀，選用Al 靶作為陽(yáng)極，濺射條件為掃描型Ar + 槍，加速電壓為3 kV，離子流約0. 5 ～1 μA，濺射面積4 mm × 4 mm；顯微硬度測(cè)試采用HVS-1000 型顯微硬度計(jì)，選取10 g 的載荷，加載15 s，以保證完全變形，測(cè)量十個(gè)點(diǎn)，求其平均值。

　　2.4、薄膜顯微硬度分析

　　表4 為不同Ar /N2流量之比制備的TiN 薄膜其顯微硬度值。從中可以看出對(duì)應(yīng)不同的Ar /N2流量之比TiN 薄膜顯微硬度值變化幅度較大，說明Ar /N2流量之比對(duì)其有較大影響。在Ar /N2流量之比為3∶1( 3#) 的時(shí)候，薄膜的硬度值達(dá)到最大，為1449HV，比基體材料的226HV 提高了近7 倍。該硬度值沒有其他學(xué)者所得到的硬度值高，我們分析是由于所制備的薄膜是納米級(jí)厚度，再加上基體材料的硬度太低所造成的。從表3 的XPS 分析組成相對(duì)含量結(jié)果變化可知，當(dāng)Ar /N2流量之比為3: 1 時(shí)，薄膜中TiN 含量最高為50. 59%，之后隨著Ar /N2流量之比增大，TiN 含量在減小，相應(yīng)的TiO2和TiNxOy含量增多，引起薄膜中主導(dǎo)物質(zhì)成分的變化，薄膜硬度總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

表4 不同Ar /N2流量比制備的TiN 薄膜顯微硬度

3、結(jié)論

　　采用輝光弧光協(xié)同共放電混合鍍方法在A3 鋼基體上沉積的氮化鈦薄膜，整個(gè)膜層是由TiN、TiO2和TiNxOy化合物組成的復(fù)合體系，實(shí)驗(yàn)的各Ar /N2流量比都能制備出均勻致密的膜層，Ar /N2流量比影響膜層各成分的含量。膜層硬度隨著含TiN 量的增多而增大，當(dāng)Ar /N2流量比為3∶ 1 時(shí)，硬度最大。