[发明专利]超硬TiB2/Si3N4纳米多层膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于各类刀刃具、模具的表面强化薄膜处理技术领域。涉及超硬TiB₂/Si₃N₄纳米多层膜及其制备方法。更具体的说是一种采用高真空离子束辅助沉积系统(IBAD)制备超硬TiB₂/Si₃N₄纳米多层膜的方法。 

背景技术

硼化物陶瓷是一类具有特殊物理性能与化学性能的陶瓷。由于它具有极高的熔点、高的化学稳定性、高的硬度和优异的耐磨性而被作为硬质工具材料、磨料、合金添加剂及耐磨部件等，同时这类材料又具有优良的电性能，可作为惰性电极材料及高温电工材料而引人注目。近几十年来，世界各国都在加紧研究开发硼化物陶瓷及其复合材料，在硼化物陶瓷材料中，TiB₂具有许多优良性能，如熔点高、硬度高、化学稳定性好、抗腐蚀性能好，可广泛应用在耐高温件、耐磨件、耐腐蚀件以及其它特殊要求零件上。相对其它陶瓷材料而言，TiB₂具有优良的导电性，易于加工，性能特别优异而被作为最有希望得到广泛应用的硼化物陶瓷；而Si₃N₄陶瓷是一种非氧化物工程陶瓷，硬度可达1800～2000HV，热硬性好，能承受1300～1400℃的高温，与碳和金属元素化学反应较小，摩擦因数也较低。这类刀具适于切削铸铁、高温合金和镍基合金等材料，尤其适用于大进给量或断续切削。但是关于TiB₂/Si₃N₄纳米多层膜的研究目前尚未见文献报道。 

切削加工是现代制造业应用最广泛的加工技术之一。所以合成具有高硬度、膜基结合力强、抗磨等性能的TiB₂/Si₃N₄纳米多层膜，这将有效提高切削刀具使用寿命，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。对我国的切削刀具技术的提高，促进制造业的发展具有重要意义。 

随着纳米尺寸薄膜的出现，人们发现当薄膜的厚度降低到纳米量级时，它的这些性能会得到很大的改善。因此我们尝试选择二硼化钛(TiB₂)和氮化硅(Si₃N₄)这两种材料来组成纳米多层膜系统，希望不仅利用它们有较高硬度、较高耐磨性和化学稳定性、高熔点的各自优点，同时也利用它们具有相近的晶体结构，但晶格常数相差较大的特点，试图证明在晶格参数相差较大的情况下，同样有超硬效应存在。两种单质超薄薄膜按照一定比例周期性存在，有可能使单质膜周期性的重新形核，这样不仅可以阻止单质膜中 柱状晶和位错的移动和长大，阻止材料相互扩散，降低相互之间的高温熔合，而且低的界面能可缓解残余应力，增加膜层间以及整体与基体的结合力，有利于合成更厚的适合于实际应用的表面强化涂层系统。由于TiB₂它具有极高的熔点、高的化学稳定性、高的硬度和优异的耐磨性而被作为硬质工具材料、磨料、合金添加剂及耐磨部件；Si₃N₄硬度高，摩擦系数小等优点也得到了广泛应用，然而，对于TiB₂/Si₃N₄纳米多层膜的研究还尚未见文献报道。 

发明内容

本发明的一个目的在于，提供一种超硬TiB₂/Si₃N₄纳米多层膜。同时要解决合成TiB₂和Si₃N₄薄膜中存在的硬度低、脆性高、薄膜与基底结合力差等技术问题。 

本发明的另一个目的在于公开了超硬TiB₂/Si₃N₄纳米多层膜的制备方法。它是以TiB₂和Si₃N₄为单质材料，采用离子束辅助沉积技术合成由TiB₂和Si₃N₄交替组成的新型TiB₂/Si₃N₄纳米多层膜。 

为实现上述目的本发明提供如下的技术方案：