碳含量对磁控溅射Cr/C镀层性能的影响

论文摘要

本文采用磁控溅射技术以溅射石墨靶作为碳元素主要来源的方法在高速钢和单晶硅基体上制备了Cr/C镀层。采用XPS及XRD对镀层的化学成分和微观结构进行了分析;使用显微硬度计、划痕仪等对镀层的硬度、韧性和结合强度等力学性能进行了研究;通过销-盘式摩擦磨损试验机及光学显微镜研究了镀层的摩擦磨损性能;采用不同温度热处理及电化学极化曲线评价了镀层的热稳定性和耐蚀性;探讨了碳含量变化对镀层性能的影响机理。研究结果表明:Cr/C镀层主要由铬、碳单质和Cr3C2组成。随着碳含量的增加,镀层中碳单质增加,铬单质减少,铬碳化合物则在碳含量为51.93at%时含量最多。纯Cr镀层为晶态结构,加入碳元素后,镀层发生了晶态→非晶态转变;随碳含量增加,Cr/C镀层硬度上升,韧性下降,除碳含量为17.45at%的镀层外,其他Cr/C镀层均表现出较好的结合强度,碳含量为42.37at%,51.93at%表现出较好的综合力学性能;镀层的摩擦系数和磨损率随碳含量升高而降低,镀层的磨损机制则发生了粘着磨损→磨粒磨损的转化;Cr/C镀层在600℃热处理后表现出较好的热稳定性,但当碳含量增至75.08at%时,镀层在该温度下剥落失效;Cr/C镀层在1mol/L NaCl溶液有效地保护了基体免受腐蚀,碳含量17.45at%的镀层具有最优的耐蚀性,纯Cr层次之,其他镀层随着碳含量增加,耐蚀性变差。不同碳含量Cr/C镀层中铬、碳存在形式的变化影响了磨损初期粘着层形成及粘着层与镀层结合强度,造成了镀层摩擦系数和磨损率的变化:碳化物减缓镀层氧化进程但碳元素高温氧化加快镀层的疏松失效过程,两反应相互竞争,导致了碳含量增加后的Cr/C镀层热稳定性提高,而增至一定含量后镀层过早失效。镀层晶体结构及钝化膜的不同是造成镀层耐蚀性差异的主要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 诸论
• 1.1 引言
• 1.2 铬基镀层
• 1.2.1 电镀硬铬
• 1.2.2 CrN镀层
• 1.2.3 Cr/C镀层
• 1.3 磁控溅射技术
• 1.3.1 平衡磁控溅射
• 1.3.2 闭合场非平衡磁控溅射
• 1.3.3 磁控溅射技术的应用
• 1.4 Cr/C镀层的研究现状
• 1.4.1 Cr/C镀层的制备方法
• 1.4.2 Cr/C镀层的研究重点
• 1.4.3 Cr/C镀层研究中存在的问题
• 1.5 本文的研究意义和目的
• 1.6 本文的研究内容及技术路线
• 2 试样制备和实验方法
• 2.1 试样基材
• 2.2 Cr/C镀层的制备
• 2.2.1 镀膜设备
• 2.2.2 镀膜过程
• 2.3 Cr/C镀层的成分及微观组织分析
• 2.3.1 镀层的化学成分
• 2.3.2 镀层的结构分析
• 2.4 镀层性能评价
• 2.4.1 镀层的硬度和韧性
• 2.4.2 镀层的结合强度
• 2.4.3 镀层的摩擦学性能
• 2.4.4 镀层的热稳定性
• 2.4.5 镀层的耐蚀性
• 3 Cr/C镀层的微观结构及力学性能
• 3.1 镀层元素的存在状态
• 3.1.1 Cr元素的存在状态
• 3.1.2 C元素的存在状态
• 3.1.3 铬碳化合物相的确定
• 3.2 镀层的相结构
• 3.3 Cr/C镀层的力学性能
• 3.3.1 Cr/C镀层的硬度
• 3.3.2 Cr/C镀层的韧性
• 3.3.3 Cr/C镀层的结合强度
• 3.4 讨论与小结
• 3.4.1 溅射石墨靶获得Cr/C复合镀层的讨论
• 3.4.2 碳含量对Cr/C镀层晶体结构的影响
• 3.4.3 碳含量对Cr/C镀层力学性能的影响
• 3.4.4 小结
• 4 不同碳含量Cr/C镀层的摩擦学性能研究
• 4.1 镀层与铝的摩擦学特性分析
• 4.1.1 Cr/C镀层与铝的摩擦系数
• 4.1.2 Cr/C镀层与铝对磨后的磨损形貌
• 4.1.3 Cr/C镀层与Al的磨损率
• 4.2 镀层与不锈钢的摩擦学特性分析
• 4.2.1 Cr/C镀层与不锈钢的摩擦系数
• 4.2.2 Cr/C镀层与不锈钢对磨后的磨损形貌
• 4.2.3 Cr/C镀层与不锈钢的磨损率
• 4.3 讨论与小结
• 4.3.1 Cr/C镀层的磨损机制
• 4.3.2 碳含量对Cr/C镀层磨损机制的影响
• 4.3.3 小结
• 5 不同碳含量Cr/C镀层的热稳定性及耐蚀性评价
• 5.1 Cr/C镀层的热稳定性
• 5.1.1 不同温度下Cr/C镀层的表面形貌
• 5.1.2 不同温度下Cr/C镀层的相结构
• 5.1.3 不同温度下Cr/C镀层的硬度
• 5.2 Cr/C镀层的耐蚀性评价
• 5.2.1 Cr/C镀层的Tafel曲线
• 5.2.2 腐蚀产物分析
• 5.3 讨论与小结
• 5.3.1 碳含量对镀层热稳定性的影响
• 5.3.2 碳含量对镀层耐蚀性的影响
• 5.3.3 小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文