利用電弧離子鍍技術(shù)在高速鋼基體上于不同氮氣流量條件下制備CrN薄膜樣品，通過納米壓痕儀、XP-2臺階儀、SEM和XRD測試分析了薄膜的硬度、彈性模量、厚度、表面形貌和物相結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，氮氣流量對CrN 薄膜的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能都具有較為明顯的影響。

　　CrN薄膜具有很高的硬度和耐磨性，高溫抗氧化性和耐腐蝕性較強，不但可以作為耐磨涂層用于工業(yè)模具和切削工具的表面強化，在表面防腐蝕和裝飾等領(lǐng)域也有很重要的用途。與在工業(yè)中廣泛應(yīng)用的TiN 薄膜相比，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為CrN薄膜的硬度更高，耐腐蝕性更好，而且CrN薄膜有利于大批量工業(yè)生產(chǎn)，更加具有實用價值。

　　電弧離子鍍的特點是高效率、低成本和高離化率，因而被用于沉積金屬、合金和化合物等。在電弧沉積中，基體可以保持在比較低的溫度下，這樣幾乎不會影響材料的機械性能，同時能夠大幅度提高硬度和耐磨損性能。為了提高膜基結(jié)合力，在基體和膜層之間還需要沉積金屬過渡層。一般的CrN 膜層都具有柱狀晶體結(jié)構(gòu)，膜層的成分比較均勻。

　　本文采用電弧離子鍍技術(shù)沉積制備了高質(zhì)量的CrN 薄膜，在保持其它鍍膜參數(shù)基本不變的條件下研究了不同氮氣流量對CrN 薄膜硬度、厚度(沉積速率)和晶粒大小的影響，并對各樣品表面形貌作了觀測。

1、實驗方法

　　采用拋光后的高速鋼作為基體材料。用無水乙醇將試樣超聲波清洗20 min。然后用無水乙醇和丙酮溶液擦拭基體表面，烘干，反復(fù)2 次后將其置于SA- 700 6T 電弧離子鍍膜系統(tǒng)的真空室內(nèi)，真空室的本底真空為2.3×10- 3 Pa。沉積薄膜前基體預(yù)熱到300℃左右，以除去表面吸附物，再充氬氣到5 Pa~10 Pa，在工件上加負(fù)偏壓500 V2 min~3 min 后升到900 V。使氬氣在低壓放電的情況下形成淡紫色等離子體輝光，在電場作用下，氬離子對工件進(jìn)行轟擊清洗約15 min。輝光清洗結(jié)束后，氬氣降至2 Pa 左右，在工件上加900 V 負(fù)偏壓，點燃Cr 靶，再利用高能量金屬離子對基體進(jìn)行轟擊約5 min，沉積Cr 納米過濾層以提高膜基結(jié)合強度。實驗薄膜的沉積時間均為30 min。薄膜合成過程中的各工藝參數(shù)如表1 所示。

表1 CrN 薄膜制備工藝參數(shù)

　　采用X 射線衍射儀對薄膜的物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析;用掃描電子顯微鏡對鍍層表面形貌進(jìn)行了觀測;利用XP- 2 臺階儀測量了薄膜厚度。

2、實驗結(jié)果與討論

2.1、薄膜的結(jié)構(gòu)分析

　　分別對不同氮氣流量情況下制備的CrN 薄膜進(jìn)行了X 射線衍射分析。結(jié)果表明，所有情況下獲得的CrN 都具有NaCl 型面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)，各樣品的XRD 衍射譜基本相同。作為例子，圖1 給出了N2 為173 sccm 時于高速鋼基體上鍍制的CrN 薄膜的XRD 衍射圖譜。從圖中可以看出CrN 薄膜的兩個主要面即(200)和(220)的衍射峰，其中(220)晶面擇優(yōu)生長，F(xiàn)e(211)衍射峰來自高速鋼基體。人們對薄膜的擇優(yōu)取向曾經(jīng)做了一些研究，不過，不同的作者獲得的結(jié)果并不一致，歸納起來，主要與沉積速率、離化率、離子轟擊作用以及偏壓的大小和形式有關(guān)，但迄今為止，影響擇優(yōu)取向的決定性因素還不完全清楚。

圖1 1 號CrN 薄膜樣品的X 射線衍射譜

2.2、薄膜表面形貌

　　CrN薄膜的生長依靠N2的離化和Cr的蒸發(fā)離化。N2的離化率越高，越容易形成CrN 相。不同N2分壓的情況下，各組樣品的表面形貌如圖2 所示，膜層表面分布均勻，未出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，但在膜表面還可觀察到大小不一的圓形顆粒。普遍認(rèn)為是電弧在靶表面燃燒時因溫度非常高導(dǎo)致一些微小的液滴產(chǎn)生，這些液滴隨后以固相顆粒形態(tài)附著在涂層表面，其硬度低于CrN膜層。這些軟點對涂層刀具的工作性能是有害的，會降低刀具表面的光潔度。從圖2 可以觀察到，CrN涂層表面顆粒最大直徑為1μm~2μm，隨著氮氣流量增加，薄膜表面的熔滴顆粒數(shù)量減少，顆粒的尺寸也減小，呈現(xiàn)出較為平整的表面形貌。

圖2 不同氮氣流量下的CrN形貌

2.3、薄膜沉積速率

　　薄膜沉積速率可以根據(jù)公式計算：Rd=Tf/t，式中Rd 為薄膜的沉積速率，Tf 為薄膜的厚度，t為薄膜沉積時間。為此，首先要測試不同氮氣流量下制備的CrN 薄膜的厚度。圖3 反映的是氮氣流量為265 sccm下所制備的薄膜的厚度曲線。圖中左邊是制備的CrN 薄膜輪廓，可以看出，表面有些粗糙，是薄膜表面大顆粒污染的反映，右邊較平滑的部分是基體。由于沉積時間一定，薄膜的厚度就直接反映沉積速率。圖4 給出了各種氮氣流量下通過XP- 2 臺階儀測得的薄膜厚度換算成的沉積速率。各組樣品中的CrN薄膜厚度最厚為1980nm(1 號樣品)，最薄為630nm(3號樣品)。從圖4中不難看出，隨著氮氣的增加，薄膜厚度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。說明氮氣流量對薄膜的沉積速率有一定的影響。

圖3 N2 流量為265sccm 時CrN 薄膜的臺階測試曲線

圖4 膜厚與氮氣流量的關(guān)系圖

2.4、薄膜硬度

　　圖5給出了本次實驗中在不同氮氣流量條件下制備的CrN 薄膜的硬度關(guān)系。從圖中可以看出：所制備薄膜硬度最高值為22.292 GPa(1號樣品)，硬度最低值為15.297 GPa(4號樣品)。結(jié)果表明：氮氣流量對薄膜硬度的影響表現(xiàn)為隨著氮氣流量的增大，CrN薄膜硬度逐漸降低。薄膜材料的硬度一般與其沉積工藝及其沉積薄膜的組織結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，在本實驗條件下，由于N2 流量增大，沉積氣壓升高，粒子跟更多的氣體分子碰撞而使其自身的平均自由程減小，沉積能量降低，組織不夠致密，導(dǎo)致薄膜納米硬度減小。

　　CrN 薄膜的彈性模量先隨N2流量的增加而增加的關(guān)系見圖6，在N2 流量為206sccm的時候達(dá)到峰值為302.803GPa, 之后隨著N2 流量增加而逐漸降低。由圖5 可知，N2流量為206sccm時，CrN 薄膜的顯微硬度也相對較高，綜合力學(xué)性能最好。

圖5 各薄膜樣品硬度

圖6 CrN薄膜彈性模量隨N2 流量變化曲線

3、結(jié)論

　　(1) 通過電弧離子鍍方法在高速鋼基體上于不同氮氣流量條件下制備的CrN 薄膜，其硬度隨氮氣流量增加呈現(xiàn)遞減的趨勢，厚度則出現(xiàn)先減小后增加的走向。當(dāng)?shù)獨饬髁繛?06 sccm時，CrN薄膜的綜合力學(xué)性能最好。

　　(2) 不同氮氣流量情況下制備的CrN薄膜均具有NaCl型面心立方(fcc)結(jié)構(gòu)。在較大N2流量條件下獲得的CrN薄膜表面大顆粒數(shù)量和尺寸相對較小，具有更好的表面形貌。