硬质薄膜的发展及分类.docVIP

硬质薄膜的发展及分类 硬质薄膜材料从20世纪80年代单一的TiN开始至今已经取得了很大的发展 按照发展阶段结合Stratford等归纳总结 将它们划分为三代[4] 1 第一代 简单的二元氮化物碳化物 二元氮化物硬质薄膜有很多种常见的主要有 TiNCrN 、ZrN 等 其主要性能如表1所示 TiN 早已在上世纪80年代便以工业化生产，尤其在金属切削刀具的生产上得到了广泛的应用。有实验证实 TiN 镀层使得道具的寿命提高 1.63倍[5]。CrN 由于其自身的性质，适合沉积较厚的膜，有时候厚度可达几十微米并具有一定的硬度，有着其他硬质薄膜无法比拟的耐磨性。因此，被广泛应用于内燃机活塞密封环的生产上。ZrN膜层具有硬度高，熔点高，热稳定性好，抗腐蚀性能强及良好的摩擦磨损性能等。 二元碳化物的种类也很多如TiC、VC、TaC、WC、NbC、ZrC、Cr5C2、B4C、SiC等，最常见的是 TiC 、TiN与TiC 都具有NaCl型晶体结构TiC膜层颜色一般为灰黑色，硬度值范围很广。由于膜层中存在C元素，所以摩擦系数相对TiN要小一点，但是高温稳定性变差了。一般与TiN配合形成多层复合膜避免单一的TiC太脆的缺陷。 第二代 多元复合过渡金属化合物 多元复合过渡金属化合物的种类也很多，主要是：TiCN、TiAlN 、CrTiAlN等。采用由渗氮和随后的物理气相沉积（单层或多层，TiN或CrN涂层等）的复合处理工艺，形成一种带过渡层（或中间层）的双层或多层结构的复合涂层，可以在提高硬度和耐磨性的同时，增强基体对涂层的机械支持，延长工具磨具的使用寿命。当今，添加不同金属或非金属元素的单层多元硬质薄膜以及多元叠加组合的多层硬质薄膜相继获得成功。如（Ti1-xAlx）N薄膜的基础上引入了 Cr、 Zr 、V等其他金属元素取代部分Ti组分形成多元化合物薄膜[6] 第三代 纳米多层（复合）超硬膜 由于纳米材料的体积和单位质量的表面积与固体材料有差别 达到一定的极限时 其颗粒呈现出特殊的表面效应和体积效应 因此 纳米材料表现出一些特殊性能 在实际应用中机械零件表面沉积超点阵膜时很难控制各层的膜厚 尤其是那些形状复杂的零件 同时在高温工作环境下各层间的元素相互扩散也会导致硬度发生变化 而这些问题能通过多层纳米组元或复合涂层来解决 Musill[7]曾断言纳米组元 复合 涂层是今后涂层发展的新方向 而现今 纳米硬质薄膜确实在研究领域掀起了一股浪潮 纳米复合物超硬度的机理 硬度与结构 化学组分的关系 硬质薄膜的制备工艺与机械特性之间的关系 硬度高于 100 GPa 的纳米硬质薄膜的表征方法 对晶粒尺寸小到 1nlTl 的纳米复合物如何研究等 都有待于进一步探索 另外 作为硬质薄膜的最高级别 类金刚石薄膜 Diamond-like Carbon film 简称DLC 自上世纪 70年代 Aisenberg 等首次报道在不同基体上低温合成类金刚石膜以来 一直是诸多研究者的追逐热点其优异的力学性能 摩擦性能 热稳定性及表面状况等几方面均使得它成为诸多领域的热点 DLC 膜不仅具有优异的耐磨性 而且具有很低的摩擦系数 一般低于 0.2 是一种优异的表面抗磨损改性膜 硬质薄膜按照其不同的使用目的有不同的分类 但是硬度依然是硬质薄膜分类中最为基本的一种分类方式 根据薄膜维氏硬度 HV 的大小大致分为三类[8]硬度值 HV 小于 40 GPa 为一般硬质薄膜 硬度值介于 40 GPa 和 80 GPa 之间 为超硬质薄膜 硬度值 HV 大于 80 GPa 为极硬质薄膜