采用輝光弧光協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TiN 薄膜結構及硬度的影響。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，可知氮化物中的Ti 存在不同的化學狀態，整個膜層是由TiN，TiO2，TiNxOy化合物組成的復合體系，Ar /N2流量比影響各成分的含量。對比硬度的變化和組成成分之間的關系發現，膜層硬度隨著含TiN 量的增多而增大，當Ar /N2流量比為3：1 時，硬度最大。

　　TiN 薄膜具有光亮的金黃色、高硬度、基本不會與相接觸的物質發生化學反應，同時有干潤滑、抗粘附作用、摩擦系數低、可以承受一定的彈性變形等優點，已經作為一種硬質薄膜應用到刀具、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，性質各異，作為涂層材料在包括表面工程在內的現代工業各領域有重要的應用。與目前廣泛采用的電鍍涂層技術相比，氣相沉積具有可獲得的材料種類更多、合金化和復合化更方便、涂層質量更高、無污染的諸多優勢，因而科研人員對TIN 薄膜的制備及性能進行了深入的研究。

　　但是在工業應用上，金屬件的鍍膜，既要求膜層有一定的硬度和致密性，又要實現快速鍍制。針對這兩方面的要求，我們設計了弧光輝光共放電氣相沉積(arc plating and sputtering cement deposition，APSCD)混合鍍膜機，設計了多弧圓柱靶與磁控濺射圓柱靶材水平分置基材兩側共放電的結構，基材表面在沉積了多弧離子鍍大顆粒的同時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構。本文在固定其它工藝參數的基礎上研究了Ar/N2流量比對TiN 薄膜結構及硬度的影響。

1、實驗設備及實驗方法

　　1.1、弧光輝光共放電鍍膜機

　　使用深圳市天星達真空鍍膜設備有限公司改造后的弧光輝光協同共放電真空鍍膜機，其結構和工作原理詳見文獻。

　　1.2、實驗方法

　　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氣體，樣品基體材料為Φ10 mm × 5 mm 的A3 鋼，樣品依次經過600#、800#、1000#、1200#砂紙逐次打磨，然后用拋光膏在拋光機上拋光。將拋光好的金屬樣品依次用丙酮、酒精超聲波清洗10 min，最后用熱風機吹干。實驗過程如下: 先將鍍膜機本底真空抽到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，通過質量流量計來控制氬氣和氮氣的充入量，改變氬氣與氮氣的流量之比，濺射TiN 薄膜75 min，關閉電源取出樣品。

表1 試驗樣品編號及工藝參數

　　表面形貌檢測采用哈工大原子力學顯微鏡(AFM) ，掃描范圍5 μm，利用其離線軟件對薄膜的顆粒尺寸、表面粗糙度進行分析；用德國布魯克公司的D8A 型X 射線衍射儀( XRD) 對試樣進行物相分析，實驗采用銅靶，光管電壓40 kV，電流40 mA，掃描步長0.020，時間步長0.05 s；薄膜成分分析采用美國物理電子公司生產的型號為PHI 5700 ESCASystem 的X 光電子能譜( XPS) 儀，選用Al 靶作為陽極，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；顯微硬度測試采用HVS-1000 型顯微硬度計，選取10 g 的載荷，加載15 s，以保證完全變形，測量十個點，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。從中可以看出對應不同的Ar /N2流量之比TiN 薄膜顯微硬度值變化幅度較大，說明Ar /N2流量之比對其有較大影響。在Ar /N2流量之比為3∶1( 3#) 的時候，薄膜的硬度值達到最大，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 分析組成相對含量結果變化可知，當Ar /N2流量之比為3: 1 時，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，相應的TiO2和TiNxOy含量增多，引起薄膜中主導物質成分的變化，薄膜硬度總體呈現下降趨勢。

表4 不同Ar /N2流量比制備的TiN 薄膜顯微硬度

3、結論

　　采用輝光弧光協同共放電混合鍍方法在A3 鋼基體上沉積的氮化鈦薄膜，整個膜層是由TiN、TiO2和TiNxOy化合物組成的復合體系，實驗的各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Ar /N2流量比為3∶ 1 時，硬度最大。