学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

脉冲偏压电弧离子镀氮化铬涂层的制备技术及性能

作　者: 杨娟
导　师: 陈志谦；聂朝胤
学　校: 西南大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: CrN涂层电弧离子镀脉冲偏压结构性能理论计算
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 155次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

过渡族金属氮化物涂层因为具有硬度和抗磨损性能优势,所以被广泛用作切削和成型工具表面改性,有效地降低各类零部件的机械磨损、化学腐蚀和高温氧化倾向,提高各种刀具、工模具等的耐磨性能、可靠性,延长其使用寿命。氮化物涂层的制备有多种方法,包括分子束外延生长、离子束辅助沉积、电弧离子镀、三极溅射和非平衡磁控溅射等。近几年研究证明,与已经得到广泛工业应用的TiN涂层相比,CrN涂层除了具有更高的硬度、更低的内应力、更好的韧性和耐磨性、更易厚膜化外,还具有比TiN更好的耐腐蚀性能和干式切削性能,而且在CrN体系中可以达到极高的沉积速率。另外,其工艺较易控制,有利于大批量的工业生产,更加具有实际意义,因此,CrN涂层是最有希望的TiN替代材料之一。本文采用直流叠加脉冲偏压电弧离子镀技术在高速钢基体上制备出膜基结合良好、性能优异的CrN涂层,研究了CrN涂层的制备技术,并采用场发射扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度仪、球-盘式摩擦磨损试验机、纳米划痕仪、原子力显微镜、表面粗糙度仪和电化学分析仪等检测手段,系统研究了脉冲偏压对CrN涂层的表面形貌、组织结构、力学性能、耐磨性能、耐腐蚀性能和干式切削性能的影响,并与TiN、TiAlN涂层的性能进行了对比研究,从理论上揭示了CrN涂层提高高速钢耐磨性能、耐腐蚀性能和干式切削性能的机理,还从理论上计算和探讨了脉冲偏压对电弧离子镀等离子鞘层电势分布的影响以及其对电弧离子镀所特有的大颗粒在鞘层中受力的影响。研究结果表明:1、直流叠加脉冲偏压电弧离子镀技术是实现低温技术制备高质量CrN涂层的有效方法。所制得的CrN涂层结构致密,厚度约为2.4μm,与高速钢基体结合良好。当基体偏压为100V时,CrN涂层的综合性能最优异。2、沉积条件直接决定得到的CrN涂层的表面质量和相结构。随着偏压的增加,CrN涂层生长速率降低,厚度减小;涂层表面颗粒逐渐变少,表面粗糙度降低,表面趋于平整;膜基结合力增强。各种条件下沉积的CrN涂层主要由Cr₂N相和CrN相组成,没有单质Cr相存在,随着偏压的增加,CrN涂层结晶度增大,晶粒尺寸增加;涂层的择优取向转变较大,并主要发生在CrN（211）、Cr₂N（110）和Cr₂N（220）方向上。3、偏压对CrN涂层的硬度和摩擦学性能有决定性影响。随偏压增加,CrN涂层硬度先增加到2800HV左右,后减小;摩擦系数先增大到0.68左右,随后减小到偏压较小时的水平,比磨率呈相反变化趋势。测试结果表明,当偏压为100V时,CrN涂层硬度最高,耐磨性能最佳。随着摩擦速度和载荷的增大,CrN涂层的摩擦系数均小于HSS,而且呈减小趋势,CrN与GCr15摩擦副间所发生的摩擦以变形和微裂纹摩擦为主,所发生的摩损主要是磨粒磨损和表面疲劳磨损的贡献。4、适当的脉冲偏压对电弧离子镀CrN涂层的耐蚀性能具有促进作用。随着偏压上升,CrN涂层的耐蚀性能先增加后降低,偏压为100V时的CrN涂层的耐蚀性能最好。CrN涂层的耐蚀性能优于镀覆TiN涂层的耐蚀性能,略低于TiAlN涂层。CrN涂层在NaCl溶液中的腐蚀以小孔腐蚀为主,同时存在缝隙腐蚀及电偶腐蚀,涂层中存在的贯穿涂层厚度的针孔或大颗粒等缺陷显著降低了涂层的耐腐蚀性能。细化晶粒、减少涂层中大颗粒及缝隙等缺陷可显著提高涂层的耐腐蚀性能。5、干式钻削铝合金时,CrN涂层钻头钻削性能优于TiN、TiAlN涂层,明显优于未涂层高速钢钻头,在同等条件下,钻头钻孔个数为25个时,CrN涂层钻头没有粘着和剥落现象,CrN涂层高速钢钻头比TiN涂层、TiAlN涂层和未涂层高速钢钻头更适合钻削铝合金。随转速升高,CrN涂层钻头的钻削寿命均先增加后降低,转速为2230r/min时,钻削性能最佳。经钻削工艺参数优化后的CrN涂层钻头寿命是未涂层钻头的5倍。CrN、TiN涂层和未涂层高速钢的磨损以粘结为主,TiAlN涂层的磨损以涂层剥落和粘结为主,均属于物理过程。6、理论计算结果表明:对于一定尺度的大颗粒,偏压越高,大颗粒受到的排斥力越大,即净化程度随偏压幅值提高而提高,颗粒半径越大,其受到的离子拖拽力和占主导地位的电场力均越大,从而从理论上证实了脉冲负偏压对大颗粒有明显净化作用的实验现象。系统的研究结果表明,利用直流叠加脉冲偏压电弧离子镀技术制备CrN涂层是提高刀具耐磨、切削、耐蚀性能的切实有效的方法。本论文对沉积高性能CrN涂层的工艺优化,有重要指导作用。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
第一章绪论  10-27
  1.1 氮化物涂层材料技术  10-14
    1.1.1 氮化物单层涂层技术  10-11
    1.1.2 合金化氮化物涂层技术  11-12
    1.1.3 多层氮化物涂层技术  12-13
    1.1.4 梯度氮化物涂层技术  13-14
  1.2 电弧离子镀技术  14-18
    1.2.1 电弧离子镀技术的发展现状  14-17
    1.2.2 电弧离子镀的应用  17-18
  1.3 直流叠加脉冲偏压电弧离子镀技术  18-23
    1.3.1 直流叠加脉冲偏压技术的特点  19-21
    1.3.2 直流叠加脉冲偏压对涂层表面形貌的影响  21
    1.3.3 直流叠加脉冲偏压对涂层相结构的影响  21-22
    1.3.4 直流叠加脉冲偏压对涂层显微硬度的影响  22
    1.3.5 直流叠加脉冲偏压对涂层其他特性的影响  22-23
    1.3.6 直流叠加脉冲偏压的应用展望  23
  1.4 氮化铬涂层的研究进展  23-25
  1.5 研究课题的提出及主要内容  25-27
    1.5.1 研究课题的提出  25-26
    1.5.2 研究的内容  26-27
第二章实验方法  27-38
  2.1 实验装置  27-29
    2.1.1 工件架  27-28
    2.1.2 电弧源  28-29
    2.1.3 真空抽气系统  29
  2.2 氮化铬涂层的制备技术  29-33
    2.2.1 预处理工艺  30-31
    2.2.2 涂层的制备工艺与参数选择  31-33
  2.3 涂层的热处理  33-34
  2.4 氮化铬涂层的检测技术  34-38
    2.4.1 显微硬度仪  34
    2.4.2 场发射扫描电镜(FSEM)和能谱仪(EDS)  34
    2.4.3 X射线衍射仪(XRD)  34-35
    2.4.4 表面粗糙度台阶测量仪  35
    2.4.5 纳米划痕仪  35-36
    2.4.6 摩擦磨损实验仪  36
    2.4.7 台式钻床  36-37
    2.4.8 电化学测量仪  37-38
第三章实验结果与讨论  38-68
  3.1 CrN涂层的厚度  38
  3.2 CrN涂层表面形貌  38-42
  3.3 CrN涂层大颗粒的成分表征  42-43
  3.4 CrN涂层的相结构  43-45
  3.5 CrN涂层的显微硬度分析  45-46
  3.6 CrN涂层的膜基结合力  46-47
  3.7 CrN涂层的摩擦磨损性能  47-56
    3.7.1 偏压对CrN涂层摩擦磨损性能的影响  47-49
    3.7.2 速度对涂层摩擦系数的影响  49-50
    3.7.3 载荷对涂层摩擦系数的影响  50
    3.7.4 与其它涂层的摩擦系数比较  50-51
    3.7.5 磨损形貌分析  51-54
    3.7.6 涂层磨损机理分析  54-56
  3.8 CrN涂层耐腐蚀性能  56-63
    3.8.1 偏压对CrN涂层的耐蚀性影响耐蚀性的研究  56-57
    3.8.2 与其它涂层的耐蚀性对比  57-59
    3.8.3 腐蚀表面形貌研究  59-61
    3.8.4 涂层腐蚀机理探讨  61-63
  3.9 CrN涂层的切削性能  63-66
    3.9.1 刀具寿命对比  63-64
    3.9.2 切削破损形貌分析  64-65
    3.9.3 刀具的切屑形貌分析  65-66
    3.9.4 CrN涂层失效机理分析  66
  3.10 本章小结  66-68
第四章 CrN涂层大颗粒在等离子体鞘层中受力的理论计算  68-76
  4.1 电弧离子镀的脉冲偏压等离子体鞘层模型  68-70
  4.2 大颗粒的受力情况分析  70-72
    4.2.1 电场力  70-71
    4.2.2 离子拖拽力  71
    4.2.3 中性分子摩擦力  71-72
  4.3 计算结果和讨论  72-74
    4.3.1 偏压对等离子体鞘层电势的影响  72
    4.3.2 偏压对大颗粒受力的影响  72-74
    4.3.3 不同尺寸对大颗粒的受力的影响  74
  4.4 本章小结  74-76
第五章总结  76-78
参考文献  78-85
致谢  85-86
攻读硕士学位期间发表的论文及参加的课题  86

脉冲偏压电弧离子镀氮化铬涂层的制备技术及性能

内容摘要

全文目录

相似论文