[0001] 本发明属于薄膜材料技术领域，具体涉及到一种氮化铬‑氮化铜复合薄膜的制备方法及其应用。

[0002] 近年来，硬质薄膜如TiN、CrN、DLC(类金刚石薄膜)等因具有较高的硬度和耐磨性而受到了广泛关注。作为硬质薄膜的典型代表，二元氮化物薄膜，例如CrN薄膜，具有较高硬度、优异的耐磨性和化学稳定性，在刀具、工模具等领域得到诸多应用。

[0003] 但是，随着现代机械加工效率和精度的不断提升，单一结构的薄膜无法刀具满足综合机械性能的要求。多层薄膜由两种或以上的性能各异的组成层叠加得到，与单层薄膜相比，多层薄膜具有丰富的异质界面可抑制粗的柱状晶形成，极大地增强了薄膜的延展性和抑制裂纹扩展。

[0004] 因此，设计多层结构CrN/Cu3N复合薄膜，通过构筑固‑液复合润滑体系来实现界面的低摩擦具有重要的意义。

[0027] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。

[0028] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0029] 其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。实施例

[0030] （1）首先以清洗后的304不锈钢为基底，对纯度为99.9%的铬靶材进行直流溅射，压强为0.5Pa，温度130℃，氩气流量为50sccm，溅射功率100W，溅射30min后得到CrN/Cu3N复合薄膜的过渡层；（2）然后以上述得到的过渡层为基底，对纯度为99.9%的铜靶进行反应溅射，控制溅射压强为0.5Pa，温度130℃，氩气流量为50sccm、氮气流量为15sccm，溅射功率200W，偏压‑100V，时间20min，得到CrN/Cu3N复合薄膜的氮化铜层,其厚度约为600nm；
（3）在上述涂层的基础上，再对铬靶进行反应溅射，控制溅射压强为0.5Pa,温度
100℃，氩气流量为50sccm、氮气流量为15sccm，溅射功率200W，偏压‑100V，时间20min后，得到该复合薄膜的氮化铬层,其厚度约450nm。

[0031] （4）按照上述镀氮化铜层和氮化铬层的参数，将铜靶和铬靶依次交替溅射持续3h，最后得到表层为氮化铜层封顶、厚度为5um左右的CrN/Cu3N复合薄膜。实施例

[0032] （1）以清洗后的304不锈钢为基底，对纯度为99.9%的铬靶材进行溅射，直流溅射压强为0.5Pa，温度130℃，氩气流量为50sccm，溅射功率100W，溅射时间为30min。

[0033] （2）继续对纯度为99.9%的铬靶材进行反应溅射，所述反应溅射压强为0.5Pa，温度130℃，氩气流量为50sccm、氮气流量为15sccm，溅射功率200W，偏压‑100V，反应溅射时间为
6h，获得厚度为5μm左右的氮化铬薄膜。
实施例

[0034] （1）以清洗后的304不锈钢为基底，对纯度为99.9%的铬靶材进行溅射，直流溅射压强为0.5Pa，温度130℃，氩气流量为50sccm，溅射功率100W，溅射时间30min。

[0035] （2）再对纯度为99.9%的铜靶材进行反应溅射，所述反应溅射压强为0.5Pa，温度100℃，氩气流量为50sccm、氮气流量为15sccm，溅射功率200W，偏压‑100V，反应溅射时间
3h，获得厚度为5μm左右的氮化铜薄膜。
实施例

[0036] （1）以清洗后的304不锈钢为基底，对纯度为99.9%的铬靶材进行溅射，直流溅射压强为0.5Pa，温度130℃，氩气流量为50sccm，溅射功率100W，溅射时间30min。

[0037] （2）再对纯度为99.9%的铜靶材和纯度为99.9%的铬靶材同时进行反应溅射，所述反应溅射压强为0.5Pa，温度100℃，氩气流量为50sccm、氮气流量为15sccm，溅射功率200W，偏压‑100V，反应溅射时间3h，获得厚度为10μm左右的CrN@Cu3N混合薄膜。

[0038] 本发明实施例中的实物图和电镜扫描图参见图1；其中，I为润滑油PAO10实物图，II为不锈钢304基底图，III实施例1的产物图，IV实施例2的产物图，V实施例3的产物图，VI实施例4的产物图，VII实施例1的扫描电镜横截面图，VIII实施例2的扫描电镜横截面图，IX实施例3的扫描电镜横截面图，X实施例4的扫描电镜横截面图。

[0039] 材料基础性能评价：采用纳米压痕仪(Bruker,HysitronTl990)测试薄膜的硬度(H)和弹性模量(E*)，设置压头的最大负载为6mN，压痕深度不超过薄膜总厚度的10%，以避免基底材料对薄膜本征机械性能的影响；
在测试区域随机选取5个测试点，取平均值以减少试验误差。

[0040] 由图2可以看出纳米硬度和弹性模量数值均为氮化铬薄膜大于复合薄膜大于氮化铜薄膜，符合实际情况。

[0041] 产物的摩擦学性能评价：1.采用TriboStudio摩擦磨损试验机测试，在温度25℃，频率4Hz，振幅5mm，载荷6N长磨60min时的摩擦系数，试验所用钢球为F=5mm的GCr15轴承钢，润滑剂为PAO10；
下试样为实施例1中制备的CrN/Cu3N复合薄膜；
作为比较，实施例2实施例3的摩擦系数也在相同条件下获得；
由图3可以看出，在25℃，CrN/Cu3N复合薄膜和Cu3N薄膜都可以大幅度降低摩擦系数，但CrN/Cu3N复合薄膜的减摩性能要优于Cu3N薄膜和CrN薄膜。

[0042] 2.采用三维光学轮廓仪(Bruker,ContourGT)测试实施例1中制备的薄膜，在温度25℃，频率4Hz，振幅5mm，载荷6N长磨60min时磨痕的磨损量，试验所用钢球为F=5mm的GCr15轴承钢；
作为比较，实施例2、3的磨痕磨损量也在相同条件下获得；
由图4可以看出，在25℃，CrN/Cu3N复合薄膜和Cu3N薄膜都可以大幅度降低磨损量，但CrN/Cu3N复合薄膜的磨损率要低于Cu3N薄膜和CrN薄膜。

[0043] 3.采用TriboStudio摩擦磨损试验机测试，在温度25℃，频率4Hz，振幅5mm，载荷6N长磨120min时的摩擦系数，试验所用钢球为F=5mm的GCr15轴承钢，油润滑剂为PAO10；下试样为实施例1中制备的CrN/Cu3N复合薄膜；
作为比较，实施例2、3、4的摩擦系数也在相同条件下获得；
由图5可以看出，在25℃，CrN/Cu3N复合薄膜和Cu3N薄膜都可以大幅度降低摩擦系数，但CrN/Cu3N复合薄膜的减摩性能要优于Cu3N薄膜和CrN薄膜，此外未使用交替溅射工艺的CrN@Cu3N混合薄膜减磨性能明显弱于CrN薄膜。

[0044] 4.采用三维光学轮廓仪(Bruker,ContourGT)测试实施例1中制备的薄膜，在温度25℃，频率4Hz，振幅5mm，载荷6N长磨120min时磨痕的磨损量，试验所用钢球为F=5mm的GCr15轴承钢；
作为比较，实施例2、3、4的磨痕磨损量也在相同条件下获得；
由图6可以明显看出，在25℃，CrN/Cu3N复合薄膜和Cu3N薄膜都可以大幅度降低磨损量，但CrN/Cu3N复合薄膜的磨损率要低于Cu3N薄膜和CrN薄膜，此外未使用交替溅射工艺的CrN@Cu3N混合薄膜磨损率高于CrN薄膜。

[0045] 发明人进行磁控溅射氮化铬薄膜油润滑摩擦实验时意外发现使用润滑剂后的薄膜磨损率反常增大，此外氮化铜材料在摩擦润滑方面的研究极少，本发明首次使用磁控溅射工艺制备CrN/Cu3N复合薄膜，CrN和Cu3N复合协同降低油润滑摩擦体系的摩擦系数。

[0046] 由图3与图4可以看出CrN/Cu3N复合薄膜效果优于单一氮化铬或单一氮化铜；图5、图6增加了混合镀薄膜CrN@Cu3N，结果也显示了CrN/Cu3N复合薄膜效果更佳。混合镀薄膜CrN@Cu3N的机械性能较差，内应力较大，在摩擦中容易发生脆性断裂。而CrN/Cu3N复合薄膜克服了混合镀薄膜在机械性能上的不足，并且摩擦学性能优于单一氮化铬或单一氮化铜，这也体现了CrN、Cu3N和润滑油三者的协同润滑作用。

[0047] 根据目前的实验数据，得到下面相关的润滑机理：CrN/Cu3N复合薄膜表面层氮化铜溅射时间较短，结构致密，且在摩擦过程中氮化铜与润滑油发生摩擦化学反应形成润滑膜，阻止了钢球与涂层表面的直接接触，发挥了减摩作用；表面层氮化铜层磨穿后的氮化铬层硬度较大，发挥抗磨作用。

[0048] 应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的范围当中。