磁控濺射納米多層膜替代電鍍鉻涂層的研究.pdf

1、工業(yè)電鍍鉻涂層在各行各業(yè)有著廣泛的應用，然而電鍍鉻過程對環(huán)境的污染十分嚴重。本論文工作為合成和表征CrN基的納米多層膜以用于對工業(yè)電鍍鉻涂層進行取代；研究的材料包括氮化鉻薄膜、Cr-Zr-N三元多相、多層薄膜以及CrN/ZrSiN納米多層膜。因電鍍鉻在現(xiàn)代工業(yè)中的應用是多種多樣的，在本論文中，主要針對其抗磨損，抗腐蝕等領域的替代進行了研究。論文研究目的為：探索基于磁控濺射技術的、結(jié)構(gòu)和性能可控的新型薄膜，使其能應用于工業(yè)規(guī)模的電鍍鉻取代

2、。論文中應用到GDOES、XRD、SEM以及TEM等技術對薄膜成分和結(jié)構(gòu)進行了表征，薄膜的力學性能、摩擦學以及抗腐蝕性能則通過納米硬度、摩擦學測試以及動電位極化等技術表征。論文主要工作分為以下幾個方面：
　　 首先研究了氮化鉻薄膜的合成和優(yōu)化技術，特別針對磁控濺射參數(shù)中的氮氣流量以及基體偏壓的優(yōu)化技術進行了研究。研究結(jié)果表明，薄膜成分和相結(jié)構(gòu)隨氮氣流量的變化規(guī)律可以通過沉積氣壓、濺射靶電壓隨氮氣流量變化的曲線來預測；在6sccm

3、和12sccm的氮氣流量下分別得到了純的Cr2N和CrN薄膜。硬度測試結(jié)果表明純的Cr2N、CrN以及具有<200>擇優(yōu)取向的鉻固溶體Cr(N)具有較高的硬度和彈性模量。摩擦磨損測試發(fā)現(xiàn)CrN比Cr2N抗研磨磨損能力更好。腐蝕測試鑒定，在3.5％NaCl溶液中，幾種材料的抗腐蝕能力高低順序為a-CrN>Cr>Cr2N>CrN>AISI304。此外，本文還應用等離子體發(fā)射光譜(OES)研究了氮化鉻薄膜的性能隨偏壓變化的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)沉積氮

4、化鉻薄膜的化學反應過程主要是在基體表面上進行的；增加基體偏壓將導致氮化鉻薄膜中氮成分下降。在中等偏壓(60V<｜U6｜<100 V)下沉積的氮化鉻薄膜具有較高的硬度和彈性模量并同時具有較低的摩擦系數(shù)和最好的抗研磨磨損能力。由于以60V射頻自偏壓沉積的CrN薄膜在抗磨損以及抗腐蝕兩方面均表現(xiàn)優(yōu)異，因此本論文確定沉積薄膜的基體偏壓優(yōu)化值為60V。
　　 在Cr-Zr-N系統(tǒng)中研究主要針對體系中的多層膜系統(tǒng)，同時還研究了該體系中的多元

5、薄膜。對于Zr改性的CrN薄膜(CrN(Zr))多元薄膜，XRD分析表明薄膜結(jié)構(gòu)為置換固溶體。當CrN(Zr)薄膜中Zr成分為1.5 at.％時，薄膜具有最大的硬度，為24GPa。腐蝕測試結(jié)果表明，Zr的添加提高了CrN薄膜的化學惰性。對CrN/ZrN多層膜的研究表明所得薄膜為周期結(jié)構(gòu)的納米多層膜。TEM觀察發(fā)現(xiàn)該納米多層膜由納米晶的CrN和ZrN單層組成。此外，多層膜硬度受調(diào)制周期影響較小，幾乎為常數(shù)(29GPa)。研究結(jié)果還表明所得

6、到的納米多層CN/ZrN薄膜具有良好的抗磨損性能。電化學測試顯示薄膜具有較高的抗腐蝕能力。
　　 論文進一步的工作為往CrN/ZrN多層膜中的ZrN單層中加入Si元素。沉積得到的CrN/ZrSiN多層膜調(diào)制周期從11nm～153nm不等。ZrSiN單層膜為納米復合結(jié)構(gòu)；多層膜為具有良好周期性的納米多層膜結(jié)構(gòu)。多層膜具有不隨調(diào)制周期變化、幾乎為常數(shù)的硬度和彈性模量，其數(shù)值分別為30GP和350GPa。CrN/ZrSiN多層膜的性能