Al-Cr-Nb-Si-Ta高熵氮化膜之開發研究

Study on Al-Cr-Nb-Si-Ta High-Entropy Nitride Films

張境芳

指導教授 ： 葉均蔚

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2013年)

摘要

本實驗利用真空電弧熔煉法製備非等莫耳 Al-Cr-Nb-Si-Ta 高熵合
金靶材，再利用反應式直流磁控濺鍍法鍍製高熵金屬及氮化物薄膜，
研究不同氮氣流率及基板偏壓下對薄膜微結構及機械性質的影響。 此
外， 對不同氮氣流率及基板偏壓變量之薄膜進行大氣退火試驗以探討
薄膜之抗氧化性，並將擁有最佳硬度值與抗氧化性之薄膜進行真空退
火測試其高溫熱穩定性。更在 WC-Co 基板上先鍍覆不同金屬中間層
再鍍覆上最佳參數之高熵氮化膜，以求最佳附著力，最後以具最佳附
著力的 Al-Cr-Nb-Si-Ta 氮化膜鍍覆於拋棄式三角銑刀上，進行 SKD11
模具鋼的切削測試。
實驗結果發現 Al-Cr-Nb-Si-Ta 氮化物薄膜結構呈現單一 FCC 相
(B1-NaCl)。並改變不同參數變量後，於最佳製程條件下氮化膜擁有
最高硬度值及最佳抗氧化性，其中抗氧化性較本實驗室所研究過的系
統優異許多。且此氮化物薄膜亦具有優越的熱穩定性，在
1000
o
C 兩
小時真空退火下仍未見分相，顯示高熵效應使單一 FCC 結構為穩定
相，此外，晶粒尺寸未有明顯粗化現象，因此使得薄膜硬度值仍維持
高硬度表現。
將高熵氮化膜與傳統四元(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄膜作比較，高熵氮化
膜有晶粒細及緻密微結構之表現 ，且由於高熵薄膜具有緻密微結構及
高壓縮殘留應力，比(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄膜硬度高出許多。但是亦發現
(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄膜抗氧化性較高熵氮化膜好，可歸因組成元素 Al、
Cr 及 Si 皆為抗氧化元素，然而此膜有在高溫大氣退火後有表面龜裂
的現象，將不利於切削壽命。
在附著力方面 ，利用鍍覆中間層使高熵氮化膜與基板間具有最佳
附著力，並以此進行切削試驗，與 TiN 、TiAlN 及(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄膜
比較，鍍覆 Al-Cr-Nb-Si-Ta 氮化膜之切削性質優於(Al
40
Cr50
Si
10)N 薄
膜及商用 TiN 、 TiAlN 薄膜，因此可知即便(Al
40
Cr50
Si
10)N 擁有較佳的
抗氧化性 ，但由於在氧化過程中會在薄膜表面形成裂縫，確實對切削
性質帶來不良的影響，而高熵氮化膜由於具有較高的硬度值、抗氧化
性及熱穩定性且氧化後薄膜結構仍非常緻密等優越性質，因此擁有最
佳的耐切削能力。

關鍵字

高熵合金 ； 氮化膜 ； 磁控濺鍍

參考文獻

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