非平衡磁控溅射CrNiTiN涂层的组织及性能研究

论文摘要

多元硬质涂层目前被广泛应用在刀具、模具表面以改善刀具的切削性能,同时提高模具的耐腐蚀、耐高温、抗氧化等性能。Cr12MoV模具钢是冷作模具的常用钢材料,但由于工作环境恶劣,要承受急剧的冲击载荷,容易由于载荷冲击、摩擦磨损而开裂失效,因此需要对材料表面进行处理,提高其使用性能,延长其工作寿命。CrNiTiN涂层是在CrN的基础上添加Ti、Ni元素形成的一种多元涂层,在金属材料表面制备硬质涂层将有效改善材料的性能,对于模具寿命的延长具有重要的意义。本文利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备在Cr12MoV冷作模具钢基体上沉积了CrNiTiN涂层。采用XRD、SEM、EDS、XPS等测试手段对涂层的结构、形貌和成分进行了表征和分析;采用维氏显微硬度计和涂层附着力划痕仪分别对涂层的表面显微硬度和膜/基结合力进行测试:采用摩擦磨损试验仪对涂层的摩擦磨损性能进行测试。研究和分析了基体表面氮化对CrNiTiN涂层的结构、成分和性能的影响。研究发现:CrNiTiN涂层组织均匀,晶粒细小(约为20nm),主要由面心立方结构的多晶组成,其晶体结构与CrN相似,但晶格常数略有膨胀,(200)晶面出现择优取向生长;基体表面经渗氮处理后再磁控溅射CrNiTiN涂层,涂层中的金属元素含量增加,涂层的硬度提高,膜/基结合力增加,耐磨损性能也显著提高。因此,基体渗氮后再磁控溅射镀膜,涂层的综合性能优良。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 表面工程技术
• 1.2.1 表面工程技术的意义及其分类
• 1.2.2 表面工程技术在模具上的应用及其发展趋势
• 1.3 硬质涂层
• 1.3.1 硬质涂层的发展及其研究现状
• 1.3.2 硬质涂层的定义
• 1.3.3 硬质涂层的分类
• 1.3.4 硬质涂层的生长机理
• 1.3.5 硬质涂层的制备
• 1.4 磁控溅射技术
• 1.4.1 磁控溅射镀膜的发展及研究现状
• 1.4.2 磁控溅射镀膜的基本原理
• 1.4.3 闭合非平衡磁控溅射镀膜技术
• 1.4.4 影响非平衡磁控溅射涂层质量的因素
• 1.5 本文研究目的及主要工作内容
• 1.5.1 研究CrNiTiN涂层的意义及其目的
• 1.5.2 本文主要工作内容
• 第2章 实验过程及测试方法
• 2.1 实验过程
• 2.1.1 实验设备
• 2.1.2 试样的预处理
• 2.1.3 涂层的制备工艺
• 2.2 涂层的成分、结构及形貌表征
• 2.2.1 涂层的形貌测试
• 2.2.2 涂层的成分测试
• 2.2.3 涂层的XPS能谱测试
• 2.2.4 涂层的相结构测试
• 2.3 涂层的力学性能表征
• 2.3.1 涂层的厚度测试
• 2.3.2 涂层的显微硬度测试
• 2.3.3 涂层的膜/基结合力测试
• 2.3.4 涂层的摩擦磨损性能测试
• 第3章 涂层的成分、结构及形貌分析
• 3.1 涂层的形貌分析
• 3.2 涂层的成分分析
• 3.3 涂层的化学态分析
• 3.4 涂层的相结构分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 涂层的力学性能分析
• 4.1 涂层的厚度分析
• 4.1.1 基体的氮化层厚度
• 4.1.2 氮化对涂层厚度的影响
• 4.2 涂层的显微硬度分析
• 4.2.1 CrNiTiN涂层的显微硬度测试
• 4.2.2 氮化对CrNiTiN涂层显微硬度的影响
• 4.2.3 基体硬度对CrNiTiN涂层显微硬度的影响
• 4.3 CrNiTiN涂层的膜/基结合力分析
• 4.3.1 涂层与基体结合强度的评价标准
• 4.3.2 氮化对涂层膜/基结合力的影响
• 4.4 涂层的摩擦磨损性能
• 4.4.1 氮化对涂层的摩擦性能的影响
• 4.4.2 氮化对涂层的磨损性能的影响
• 4.4.3 基体硬度对摩擦性能的影响
• 4.4.4 载荷对摩擦性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果