采用射頻磁控濺射制備不同W含量的CrSiWN薄膜。利用X射線衍射、掃描電鏡、能量散射譜、納米壓痕儀和摩擦磨損實驗機對薄膜的相結構、形貌、成分和摩擦性能進行分析。結果表明，CrSiWN薄膜為fcc結構，具有(111)擇優取向，薄膜主要為W固溶在CrSiN薄膜中的置換固溶體。隨W含量的升高，薄膜晶格常數及晶粒尺寸逐漸增大，抵抗塑性變形能力(H3/E2)逐漸降低。由于固溶強化和晶粒增大的共同作用，薄膜顯微硬度隨W含量的增加先升高后降低。由于薄膜抵抗塑性變形能力隨W含量逐漸降低，導致薄膜平均摩擦系數逐漸增高。當W含量為13.20%時，薄膜綜合性能最優。

　　目前，改良刀具力學及摩擦性能的重要途徑之一便是薄膜技術。研究表明，過渡金屬的氮化物涂層具有較高的硬度和優異的摩擦磨損性能，其中，由于具有較高的硬度及良好的穩定性，CrN薄膜便是具有代表性的二元薄膜體系，現已廣泛的應用于刀具制造業中。

　　隨著現代加工技術的發展，要求應用于刀具的涂層具有更高的硬度，并兼具優良的摩擦磨損性等苛刻的服役要求，傳統的CrN涂層已不能完全勝任。因此，人們開始嘗試將某些金屬元素引入CrN系涂層中以期能改良其性能。最近，國內外學者在CrN薄膜中引入W、Si等元素制備三元CrXN薄膜(X=W、Si)，研究表明，CrXN薄膜較之CrN薄膜具有更高的硬度和更優異的熱穩定性能。例如，同等試驗條件下，CrSiN薄膜平均摩擦系數比CrN下降0.3，體現出良好的減磨效果;CrWN薄膜顯微硬度較之CrN有大幅提高。

　　目前，國內外學者雖對三元CrXN薄膜的微觀組織相關性能進行研究，但是，對CrN基四元薄膜的研究鮮有涉及。通過以上綜述知道，Si元素的引入主要提升CrN基薄膜的減磨性能;W元素的引入主要提升CrN基薄膜的力學性能。由此，有理由相信，Si及W元素的共同引入能夠同時改良CrN基薄膜的力學及摩擦性能，然而，目前對CrSiWN薄膜的研究鮮有報道。

　　本文采用射頻磁控濺射的方法來制備一系列W含量不同的CrSiWN薄膜，對其微結構、力學及摩擦性能等進行研究。

1、實驗方法

　　采用直徑為75mm，純度分別為99.95%的Cr靶、99.9%的W靶和純度為99.9%的Si靶，用JGP450復合型高真空多靶磁控濺射設備在單晶Si和不銹鋼基底上制備不同成分的薄膜，其中，基底為單晶Si的薄膜用于相結構、成分和顯微硬度測試，不銹鋼基底的薄膜用于摩擦性能測試。實驗過程如下:將基底材料依次在無水乙醇和丙酮中超聲波清洗15min，用熱空氣吹干后裝入真空室中的可旋轉基底架上，固定靶到基底的距離固定為11cm;抽真空使真空室本底真空度優于6.0×10-4Pa后通入純度為99.999%的高純Ar起弧，用擋板遮擋基底，對各靶進行10min預濺射以除去靶材表面的氧化物和雜質;移去擋板，然后通入純度為99.999%的高純N2作為反應氣體進行沉積，通過調節工藝參數獲得不同W含量的CrSiWN薄膜，為了便于比較分析，還制備了CrSiN薄膜。制備CrSiN和CrSiWN薄膜前，在基底上預濺射約200nm的Cr過渡層，以增強膜基結合力，Ar與N2的流量比值10∶4，真空室氣壓0.3Pa，濺射時間120min，Cr靶功率200W，Si靶120W，通過調整W靶的功率，獲得厚度為2μm左右的CrSiN和不同W含量(原子分數)的CrSiWN薄膜。采用XRD-6000型X射線衍射(XRD，CuKα)儀分析薄膜的微觀組織，電壓為40kV，電流為35mA。采用CPX+NHT2+MST納米壓痕儀/劃痕儀測試薄膜的顯微硬度和膜基結合力。測薄膜硬度時，為確保結果的可靠性，對每一試樣選擇9點進行測試，這9點成3×3的陣列分布，間距10μm。一般而言，當壓痕深度小于薄膜厚度的10%的時候，測試結果不受基底的影響，硬度測試的壓痕深度為60～90nm，保證了薄膜的力學性能不受基片的影響。采用JEM-6480型掃描電子顯微鏡(SEM)及其附配的INCA型能譜(EDS)儀觀察薄膜的表面形貌并對薄膜中Cr、Si和W含量進行分析。采用UMT-2CETR摩擦磨損試驗機測試薄膜的摩擦性能，摩擦形式為球-盤式圓周摩擦，摩擦頭為直徑9.38mm的Al2O3球，載荷3N，相對轉速50r/min，摩擦半徑4mm，摩擦時間30min。

　　1.1、CrSiWN薄膜的微觀組織及力學性能

　　圖1給出了CrSiWN薄膜中Cr、Si和W的相對原子含量隨W靶功率的變化。可知，隨著W靶功率的升高，CrSiWN薄膜中W含量逐漸升高，Si含量基本保持不變，Cr含量逐漸降低。這是因為，在一定范圍內，濺射產額隨著入射離子能量的增大而逐漸增加，濺射功率增加致使Ar+離子的能量增大，單位時間內到達樣品表面的濺射粒子數增加，故導致W靶功率與薄膜沉積速率與膜厚呈上述變化。文章以下所述W含量均為W相對于(W+Cr+Si)的原子百分含量。

圖1 CrSiWN薄膜中Cr、Si和W的相對原子含量隨W靶功率的變化

　　圖2為不同W含量的CrSiWN薄膜XRD圖譜。圖從可見，CrSiN薄膜呈面心立方結構，主要有(111)和(200)兩個衍射峰，具有(200)擇優取向。CrSiWN薄膜與CrSiN薄膜結構相似，但擇優取向發生了轉變，在(111)晶面擇優生長，且(111)衍射峰發生偏移。

圖2 不同W含量的CrSiWN薄膜XRD譜

2、結論

　　(1)CrSiWN薄膜為fcc結構具有(111)擇優取向，隨W含量的升高，薄膜晶格常數及晶粒尺寸逐漸增大，薄膜主要為W固溶在CrSiN薄膜中的置換固溶體。

　　(2)CrSiWN薄膜顯微硬度和彈性模量隨W含量的增加先升高后降低，在XW=18.92%時達到最大值，分別為31.11和380.328GPa，這是由固溶強化和晶粒增大的共同作用所致;CrSiWN薄膜抵抗塑性變形能力隨W含量的升高逐漸降低。

　　(3)CrSiWN薄膜室溫平均摩擦系數隨W含量的升高逐漸增大，這是由于隨W含量的升高，薄膜抵抗塑性變形能力逐漸降低，所以，在摩擦副的作用下，磨痕表面裂紋數量隨W含量的升高而逐漸增多，致使薄膜磨痕與摩擦副之間的相互作用隨W含量的升高逐漸趨于惡劣，最終導致薄膜平均摩擦系數隨W含量升高逐漸增大。

　　(4)當W含量為13.20%時，CrSiWN薄膜綜合性能最優。