多弧離子鍍及磁控濺射沉積CrN及CrWN2薄膜的研究.pdf

1、本文利用多弧離子鍍技術(shù)及磁控濺射技術(shù)分別在淬火45鋼、201奧氏體不銹鋼、單晶硅基體表面沉積CrN薄膜和CrWN2復(fù)合薄膜,并研究了工藝參數(shù)對(duì)于薄膜的影響。利用X射線(xiàn)衍射儀(XRD)對(duì)CrN薄膜和CrWN2復(fù)合薄膜進(jìn)行物相和結(jié)構(gòu)分析;利用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察薄膜的表面和橫截面形貌以及利用附帶的能譜儀(EDS)分析薄膜的化學(xué)成分;利用顯微硬度計(jì)檢測(cè)薄膜的表面硬度;利用附著力自動(dòng)劃痕儀對(duì)薄膜進(jìn)行聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè);利用高速往復(fù)摩擦磨損試

2、驗(yàn)機(jī)對(duì)薄膜進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn);利用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察薄膜的劃痕和磨損金相;利用電化學(xué)測(cè)量?jī)x對(duì)CrN薄膜、CrWN2復(fù)合薄膜和奧氏體不銹鋼基體試樣分別在3.5％ NaCl溶液、1 mol/L NaOH溶液、1 mol/L H2SO4溶液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗(yàn);根據(jù)第一性原理對(duì)CrWN2超級(jí)晶胞中的空位進(jìn)行計(jì)算分析,研究空位對(duì)晶胞結(jié)構(gòu)和性能的影響。研究結(jié)果如下:
　　1.多弧離子鍍沉積CrN薄膜的最佳工藝參數(shù)為:多弧靶電流68 A,Ar/

3、N2=1:3,基體溫度200℃,沉積時(shí)間60 min;多弧離子鍍及磁控濺射沉積CrWN2復(fù)合薄膜的最佳工藝參數(shù)為:多弧靶電流68 A,磁控濺射靶直流電流3 A,Ar/N2=1:3,基體溫度200℃,沉積時(shí)間50 min。
　　2.氮?dú)夥至康脑黾佑兄谛纬蓡蜗郈rN薄膜,抑制液滴的形成,使薄膜細(xì)化平整?；w溫度則會(huì)影響薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程,溫度過(guò)低容易導(dǎo)致結(jié)晶不足,薄膜缺陷孔隙增加;溫度過(guò)高容易導(dǎo)致晶粒尺寸過(guò)大,薄膜表面粗糙。
　　

4、3.隨著氮?dú)夥至康脑黾?CrN膜-基結(jié)合力趨向加強(qiáng),最大臨界載荷Lc=35 N;但在純氮?dú)鈼l件下,CrN不能與基體很好的結(jié)合。沉積溫度的升高可以降低薄膜的應(yīng)力,加強(qiáng)膜-基結(jié)合力。
　　4.隨著氮?dú)夥至康脑黾?CrN薄膜的硬度可達(dá)2377 HV;CrN薄膜的磨損量和摩擦系數(shù)也有減小?；w溫度對(duì)薄膜的硬度和耐磨性影響并不明顯。
　　5. CrN薄膜的相對(duì)腐蝕速率與氬氮流量比成正比例關(guān)系,在3.5%NaCl溶液、1 mol/L N

5、aOH溶液和1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蝕性都有不同程度的提高。在3.5%NaCl溶液中,CrN薄膜的耐腐蝕性比201不銹鋼和TiN薄膜提高并不明顯;但在1 mol/L NaOH溶液和1 mol/L H2SO4溶液中,CrN薄膜的耐腐蝕性比201不銹鋼分別提高了17.8倍和81.5倍。
　　6.磁控濺射直流電流和氬氮流量比是形成CrWN2復(fù)合薄膜的兩個(gè)主要因素,只有磁控靶濺射量達(dá)到一定程度才能形成 CrWN2復(fù)合薄膜,但

6、是濺射量過(guò)大容易形成大顆粒,影響薄膜質(zhì)量。氮?dú)夥至勘容^低時(shí),薄膜中會(huì)伴隨有Cr2N相和W2N相;提高氮?dú)夥至靠梢孕纬蓡蜗郈rWN2復(fù)合薄膜,抑制液滴生成,使薄膜細(xì)化致密。
　　7. CrWN2復(fù)合薄膜的最大臨界載荷Lc=45 N,比CrN薄膜提高了10 N。提高氮?dú)夥至恳部梢约訌?qiáng)CrWN2復(fù)合薄膜的膜-基結(jié)合力。
　　8.磁控濺射直流電流和氮?dú)夥至繉?duì)CrWN2復(fù)合薄膜的硬度和摩擦磨損性能影響明顯。W可以提高CrN薄膜的硬度和

7、耐磨損性能。
　　9.氮?dú)夥至康脑黾?可以增強(qiáng) CrWN2復(fù)合薄膜在3.5% NaCl溶液和1 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蝕性。在3.5% NaCl溶液中,201不銹鋼、CrN薄膜和 CrWN2復(fù)合薄膜的耐腐性差不多;在1 mol/L NaOH溶液和1 mol/L H2SO4溶液中,CrWN2復(fù)合薄膜的耐腐蝕性要強(qiáng)于201不銹鋼;但在1 mol/L H2SO4溶液中,CrWN2復(fù)合薄膜的耐腐蝕性不如CrN薄膜。