氮化钨基三元纳米复合超硬薄膜材料

随着社会的发展，人类对材料的要求也越来越高，在一些应用领域，要求材料既要有柔韧性和强度，又要有一定的硬度和耐磨性，如机械加工中的切削刃具、深层能源勘探用的钻头、机械制造中使用的模具以及发动机的缸体等。为此，人们试图采用表面改性技术和表面涂层工艺来既保持材料基体较高的强度和韧性，又能发挥其表面涂层超硬、超强和耐磨的优势，从而大大提高材料的耐用度和适应性。

为满足材料的特性要求，有学者提出一种硬度高、膜层与基底间的结合力强的氮化钨基三元纳米复合超硬薄膜材料。所采用的技术方案为：氮化钨基三元纳米复合超硬薄膜材料包括基底，特别是所述基底上覆有化学式为WxM1-xN的纳米复合超硬薄膜，所述化学式WxM1-xN中的W为金属钨、M为金属置换物钛、钽或铬、N为氮、 x的取值范围为0.06～0.72，所述纳米复合超硬薄膜由金属钨与金属M的氮化物固溶相和金属钨相构成，或者由氮化钨相、金属钨相和金属M相构成，其晶粒尺寸为4～30nm、膜的厚度为3～7μm，其制备实验过程如下：

步骤1，将由金属钨与金属置换物构成的复合靶和基底分别置于磁控溅射设备真空室内的阴极上和样品台中；复合靶中的金属钨与金属置换物间的面积比为2∶1，复合靶与基底间的距离为50mm，金属置换物为金属钽，基底为不锈钢，在将基底置于磁控溅射设备真空室内的样品台中之前，先对其进行抛光、清洗和甩干。

步骤2，待真空室的真空度为1×10-3pa、基底温度达350℃后，使真空室处于氩氮混合气氛下，溅射 120min；其中，在使真空室处于氩氮混合气氛前，先向真空室中通入氩气， 并预溅射20min，然后再向真空室中通入氮气，氩氮混合气氛为氩气与氮气间的流量比为1∶1、工作气压为0.5Pa，溅射功率为80W，溅射结束后停止加热基底，关闭氩氮混合气，保持分子泵抽真空，待基底温度为80℃后停止抽真空，自然真空下冷却至室温，制得氮化钨基三元纳米复合超硬薄膜材料。

对制得的氮化钨基三元纳米复合超硬薄膜分别使用场发射扫描电子显微镜和X-射线衍射仪进行表征，可知超硬薄膜致密、无孔洞和裂纹，膜的厚度为3～7μm，在对制得的氮化钨基三元纳米复合超硬薄膜分别使用纳米压痕仪、划痕仪和摩 擦磨损实验机进行测试后，可知超硬薄膜的硬度均大于40GPa，薄膜与基底 间的结合力均大于50N，摩擦系数均小于0.4，制备方法工艺简单易操作，沉积的速率快、效率高，生产的成本低，适宜在高速钢工具、硬质合金工具、以及其他耐磨工具上镀制，适于大规模的工业化生产。

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