非平衡磁控溅射CrTiAIN薄膜的组织结构及性能研究

论文摘要

随着中国现代工业的快速发展,对热作模具的使用要求也越来越高。H13钢作为-种典型的热作模具钢,由于工作环境恶劣,要承受急剧的冷热变化,容易由于热疲劳、热磨损或开裂而失效。因此对其进行表面改性处理,提高其使用性能,延长其使用寿命,具有重要的实际意义。本文利用闭合场非平衡磁控溅射离子镀设备在H13热作模具钢基体上沉积了CrTiAIN薄膜。采用XRD、OM, SEM、EDS等测试手段对薄膜的结构、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薄膜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薄膜的摩擦磨损性能进行测试。研究和分析了不同靶/基距、不同硬度的基体及不同的热氧化温度对CrTiAIN薄膜的结构、成分和性能的影响。研究发现：CrTiAIN薄膜组织均匀,晶粒细小（约为200nm）,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,并具有强烈的（111）晶面择优取向；随着靶/基距的增大,膜层中金属元素的含量不断下降而N元素的含量则持续上升；薄膜的表面显微硬度和结合力均随靶/基距的增大呈先上升后下降的趋势,薄膜的摩擦系数和磨损率均随靶/基距的增大而不断上升,当靶/基距为120mmm时,薄膜的综合性能最优；基体硬度较高的薄膜的综合性能要好于基体硬度较低的薄膜；薄膜的各项性能均随氧化温度的升高而逐渐下降,薄膜的热稳定性可保持到800℃,之后各项性能下降严重,已不再适用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 硬质薄膜的定义及分类
• 1.2.1 硬质薄膜的定义
• 1.2.2 硬质薄膜的分类
• 1.3 金属氮化物薄膜
• 1.3.1 二元金属氮化物薄膜
• 1.3.2 多元金属氮化物薄膜
• 1.3.3 氮化物纳米多层膜
• 1.4 薄膜的物理气相沉积制备方法
• 1.4.1 真空蒸镀
• 1.4.2 溅射沉积
• 1.4.3 离子镀
• 1.4.4 离子注入
• 1.4.5 分子束外延沉积
• 1.5 本课题研究目的和内容
• 第2章 实验方案及测试方法
• 2.1 实验过程
• 2.2 实验设备
• 2.3 基体预处理
• 2.4 CrTiAlN薄膜的制备过程
• 2.4.1 膜层设计思路
• 2.4.2 CrTiAlN薄膜的制备工艺
• 2.5 CrTiAlN薄膜的后继热处理工艺
• 2.6 薄膜的分析测试方法
• 2.6.1 薄膜形貌及厚度测试
• 2.6.2 薄膜的相结构分析
• 2.6.3 薄膜显微硬度测试
• 2.6.4 薄膜与基体结合力测试
• 2.6.5 薄膜的摩擦磨损性能测试
• 2.7 本章小结
• 第3章 CrTiAlN薄膜结构、成分及形貌分析
• 3.1 CrTiAlN薄膜的相结构分析
• 3.2 CrTiAlN薄膜的成分、形貌及膜厚分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 CrTiAlN薄膜力学性能及摩擦磨损性能分析
• 4.1 CrTiAlN薄膜的显微硬度分析
• 4.1.1 靶/基距对薄膜显微硬度的影响
• 4.1.2 载荷对薄膜显微硬度的影响
• 4.1.3 基体硬度对薄膜显微硬度的影响
• 4.2 CrTiAlN薄膜的致硬机理分析
• 4.3 CrTiAlN薄膜的膜/基结合强度分析
• 4.3.1 薄膜与基体结合强度的评价标准
• 4.3.2 CrTiAlN薄膜与基体的结合情况及分析
• 4.4 CrTiAlN薄膜的摩擦磨损性能分析
• 4.4.1 摩擦磨损及其分类
• 4.4.2 靶/基距对薄膜摩擦磨损性能的影响
• 4.4.3 基体硬度对薄膜摩擦磨损性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 氧化温度对CrTiAlN薄膜结构与性能的影响
• 5.1 氧化温度对CrTiAlN薄膜相结构的影响
• 5.2 氧化温度对CrTiAlN薄膜形貌及成分的影响
• 5.3 氧化温度对CrTiAlN薄膜力学性能的影响
• 5.3.1 氧化温度对CrTiAlN薄膜显微硬度的影响
• 5.3.2 氧化温度对CrTiAlN薄膜结合强度的影响
• 5.4 氧化温度对CrTiAlN薄膜摩擦磨损性能的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果