论文摘要
表面涂层的历史可以追溯到一千多年以前，最早应用于表面涂层的是TiN硬质薄膜，其次是CrN薄膜，它们已经广泛地应用于刀具、模具、机械等领域。但是TiN、CrN均属于单相二元薄膜，随着机械加工技术的发展和机械零部件使用环境越来越苛刻，这样的二元单相薄膜在硬度、耐磨性等许多方面显示出了许多局限性，所以通过第三元素的添加形成的三元复合薄膜如：TiAlN、TiBN、CrAlN等引起了人们的关注，其中最为引人瞩目的是Ti-Si-N纳米超硬复合薄膜，其形成的纳米晶TiN和非晶相Si3N4结构，显著地提高了薄膜的硬度，其硬度可以高达80～105GPa。本研究选用比TiN具有更加优良的力学性能的CrN为基，通过Si元素的添加，期望制备出具有CrN晶相／Si-N非晶相的Cr-Si-N三元复合纳米薄膜，从而提高CrN薄膜的硬度、耐磨性、高温抗氧化性等性能。本研究采用PVD电弧离子镀沉积CrSiN薄膜，同时通过在CrSiN薄膜中设计适当的应力缓和层的方式来降低薄膜内应力，实现CrSiN薄膜的厚膜化。介绍了电弧离子镀的工作原理及其发展应用前景，分析了不同工艺参数对薄膜微观结构、表面形貌、显微硬度等基本性能的影响，例如Si的添加量、基体偏压、镀膜温度、沉积时间等；以及实现CrSiN薄膜厚膜化的工艺参数和其他影响因素的研究。研究结果表明，在CrSiN薄膜中形成了纳米晶CrN和Si-N非晶相，并且随着Si含量的增加，CrN晶体逐渐得到细化，薄膜的硬度呈增加趋势，并且仅仅几个百分点的Si含量就可以使硬度得到极大的改善。通过物质检测手段分析，由于形成的Si-N非晶相阻止了CrN颗粒的长大，细化了晶粒，所以提高了薄膜的硬度：同时由于Si-N的网状结构能够有效地阻止晶相内部的晶格畸变及自身内部微小裂纹的传播，从而大大的改善了薄膜的机械性能，也提高了薄膜的硬度。改变成膜偏压，CrSiN和CrN薄膜分别在电压为-120V和-60V硬度达到最大，CrSiN薄膜比CrN薄膜也表现出了更好的硬度。膜／基结合强度的好坏直接影响薄膜附着力的强弱，基材的前处理工艺保证了膜基结合的牢固性，同时应力缓和层的加入，降低了薄膜的内应力，从而为实现薄膜厚膜化提供了很好的保障。