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电弧离子镀氮化钛、氮化铬薄膜制备及特性研究

作　者: 谢红梅
导　师: 聂朝胤
学　校: 西南大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: TiN薄膜 CrN_x薄膜电弧离子镀摩擦磨损特性
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在过去的二十几年里,物理气相沉积(PVD)过渡族金属氮化物涂层的研究得到了迅速的发展,其中最早应用于金属表面的涂层是TiN,其次是CrN_x薄膜。由于它们具有高硬度,高耐磨,良好的抗腐蚀性能,较高的高温稳定性等优点,而被广泛用作工模具的保护涂层,材料的装饰涂层,微电子领域的扩散阻挡层以及生物领域等。本文采用直流叠加脉冲偏压电弧离子镀技术在不锈钢和45钢基体上制备了TiN和CrN_x薄膜。对比分析了两种薄膜的基本特性,比如:显微硬度,表面粗糙度和膜基结合强度。对比研究了摩擦过程中摩擦参数(速度,载荷,摩擦副)对两种薄膜耐磨性等的影响,并对薄膜的摩擦磨损机理进行了分析。探讨了三种不同环境介质(干摩擦,水润滑,油润滑)条件下,两种薄膜的摩擦学特性及磨损机理。研究结果表明:TiN薄膜的摩擦学特性受摩擦速度,载荷和摩擦副的影响均较大,而CrNx薄膜的摩擦学特性受速度和载荷的影响较大,受摩擦副的影响不明显。干摩擦条件下,TiN薄膜主要表现为磨粒磨损和氧化磨损;水润滑条件下,薄膜主要表现为疲劳磨损;油润滑条件下,薄膜几乎无磨损。水和油分别起到边界润滑和流体润滑作用,与薄膜无化学反应,仅物理吸附在薄膜表面。CrN_x薄膜在干摩擦条件下,主要表现为磨粒磨损;水润滑条件下,主要表现为腐蚀磨损;而油润滑条件下,油分子与摩擦表面相互作用,在表面形成保护膜或改性层,使薄膜表面几乎无磨损。相对于千摩擦条件下,水润滑和油润滑条件下TiN和CrN_x薄膜的摩擦系数和磨痕深度都降低。在相同的介质条件下,CrN_x薄膜的摩擦系数和磨痕深度始终小于TiN薄膜。因此,在一定的应用领域CrN_x薄膜很有潜力替代TiN薄膜。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-8
第一章文献综述  8-22
  1.1 引言  8-9
  1.2 薄膜气相沉积方法  9-20
    1.2.1 化学气相沉积(CVD)  9-10
    1.2.2 物理气相沉积(PVD)  10-20
  1.3 TiN、CrN_x薄膜的应用和研究现状综述  20
    1.3.1 TiN薄膜的应用和研究现状  20
    1.3.2 CrN_x薄膜的应用和研究现状  20
  1.4 本课题的目的,意义和内容  20-22
    1.4.1 研究的目的和意义  20-21
    1.4.2 研究的内容  21-22
第二章薄膜制备工艺及检测手段  22-28
  2.1 实验工艺及参数  22-23
    2.1.1 电弧离子镀膜装置  22
    2.1.2 基片的制备及前处理  22-23
    2.1.3 基本工艺步骤及工艺参数  23
  2.2 检测手段  23-28
    2.2.1 HXD-1000TMC显微硬度计  23-24
    2.2.2 JB-4C表面轮廓仪  24
    2.2.3 D/MAX-ⅢcX射线衍射仪  24-25
    2.2.4 划痕仪  25
    2.2.5 球-盘式摩擦磨损实验机  25-26
    2.2.6 扫描电子显微镜(SEM)  26-27
    2.2.7 X射线光电子能谱仪(XPS)  27-28
第三章薄膜的结构和力学性能分析  28-33
  3.1 TiN薄膜结构及力学性能分析  28-29
    3.1.1 TiN薄膜显微硬度、厚度和表面粗糙度分析  28
    3.1.2 TiN薄膜XRD分析  28
    3.1.3 TiN薄膜膜基结合力分析  28-29
  3.2 CrN_x薄膜结构及力学性能分析  29-31
    3.2.1 CrN_x薄膜显微硬度、厚度和表面粗糙度分析  29-30
    3.2.2 CrNx薄膜XRD分析  30
    3.2.3 CrNx薄膜膜基结合力分析  30-31
  3.3 TiN和CrNx薄膜结构及力学性能对比分析  31-32
  3.4 本章小结  32-33
第四章摩擦参数对薄膜的摩擦学特性影响  33-40
  4.1 摩擦参数对TiN薄膜摩擦学特性影响  33-37
    4.1.1 速度对TiN薄膜摩擦系数的影响  33
    4.1.2 载荷对TiN薄膜摩擦系数的影响  33-34
    4.1.3 配副件对TiN薄膜磨痕形貌和化学元素的影响  34-37
  4.2 摩擦参数对CrNx薄膜摩擦学特性影响  37-38
    4.2.1 速度对CrNx薄膜摩擦系数的影响  37
    4.2.2 载荷对CrNx薄膜摩擦系数的影响  37-38
    4.2.3 配副件对CrNx薄膜磨痕形貌的影响  38
  4.3 TiN和CrN_x薄膜摩擦学特性对比分析  38-39
  4.4 本章小结  39-40
第五章环境介质对薄膜摩擦学特性的影响  40-47
  5.1 环境介质对TiN薄膜摩擦学特性的影响  40-43
    5.1.1 环境介质对TiN薄膜摩擦系数的影响  40
    5.1.2 环境介质对TiN薄膜磨痕形貌的影响  40-42
    5.1.3 环境介质对TiN薄膜磨痕处化学元素的影响  42-43
  5.2 环境介质对CrNx薄膜摩擦学特性的影响  43-45
    5.2.1 环境介质对CrNx薄膜的摩擦系数的影响  43
    5.2.2 环境介质对CrNx薄膜的磨痕形貌的影响  43-45
  5.3 TiN和CrNx薄膜摩擦学特性对比分析  45-46
  5.4 本章小结  46-47
第六章结论  47-48
参考文献  48-52
致谢  52-53
硕士期间发表论文与参加项目  53

电弧离子镀氮化钛、氮化铬薄膜制备及特性研究

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