Al-Sn-Cu汽车轴瓦耐磨涂层的制备与研究

论文摘要

为满足轴瓦工作性能要求，轴瓦材料逐渐由单层合金向多层复合发展，其中轴瓦涂层对轴瓦性能的大幅提高起着重要的作用。目前轴瓦涂层主要分为电镀涂层和磁控溅射涂层。电镀涂层中由于多含有Pb，使整个生产工艺具有高污染的缺点，虽然出现无Pb镀层的研究，可是电镀涂层在抗磨损和抗疲劳方面仍低于溅射涂层。现阶段磁控溅射涂层，多是用单合金溅射，生产成本高，溅射过程中由于不同合金元素的溅射功率有差异，易出现部分元素缺失或者含量减少，使制备的涂层组分与合金靶材组分不一致，可控性较差，制约了溅射涂层的大规模生产与应用。本文通过FJL560D2型超高真空磁控与离子束多功能溅射镀膜设备制备Al-Sn-Cu耐磨涂层。使用纯度均为99.99%的Al、Sn和Cu作为靶材，三靶共溅制备Al-Sn-Cu耐磨涂层，溅射过程中每个靶材的溅射功率可以独立调节，对涂层成分进行调节控制。在制备Al-Sn-Cu耐磨涂层中，分别分析研究了溅射气压为0.5Pa、1.0Pa和1.5Pa，溅射时间为2h、3h和5h，溅射功率比为2:1、3:1和4:1等制备工艺条件以及不同后期热处理条件。通过XRD、AFM、SEM等对涂层的组织结构和表面形貌进行分析；通过HX-1000型显微硬度计、WS-2005涂层附着力自动划痕仪、CHI电化学分析仪等设备对涂层的力学性能和耐腐蚀性能进行分析，揭示溅射工艺参数对涂层组织和性能的影响。通过调节不同靶材的溅射功率的，研究不同溅射功率比对涂层中元素原子数百分含量，实现在溅射过程中涂层成分的可控。通过调节在涂层中加入Cu元素的含量，可以使Al-Sn-Cu耐磨涂层的硬度比AlSn涂层的硬度有显著提高，提高了涂层的使用载荷与耐磨性。随着溅射气压增加，涂层表面颗粒尺寸逐渐降低，涂层表面均匀性增加，涂层硬度先减小后增大，当溅射气压为1.0Pa时涂层硬度最低，涂层耐腐蚀性能先大幅降低后缓慢增加。随着溅射时间的增加，涂层硬度逐渐降低。通过调节溅射过程中AlSn功率比发现，随着AlSn功率比的增加，涂层结晶程度增加，在AlSn溅射功率比值较低时，Al-Sn-Cu涂层硬度较高。不同热处理条件对涂层的组织和性能影响较大，溅射过程中直接基底加热能够有效提高涂层的结晶强度并且降低涂层的硬度，而对涂层进行真空退火能够明显改善涂层与基底的结合力。Al-Sn-Cu涂层中，Al原子以立方紧密堆积，Sn在涂层中以α-Sn相存在，Sn原子以正方紧密堆积，Cu原子以立方紧密堆积。另外研究表明，工艺参数的调整并未使Al-Sn-Cu涂层结构发生明显变化。涂层颗粒的生长过程与基底材料有一定的关联，纯Cu的基底材料生长的涂层颗粒均匀，排列致密。而以10#钢为基底材料的涂层表面颗粒大小不一致，局部区域内会出现明显长大的涂层颗粒。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 轴瓦材料概述
• 1.2.2 轴瓦涂层研究
• 1.3 主要研究内容与创新点
• 第二章 实验材料与实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验方法与分析
• 2.2.1 涂层制备方法
• 2.2.2 涂层分析方法
• 第三章 Al-Sn-Cu 涂层组织结构的研究
• 3.1 溅射气压对 Al-Sn-Cu 涂层组织结构的影响
• 3.2 溅射时间对 Al-Sn-Cu 涂层组织结构的影响
• 3.3 溅射功率比对 Al-Sn-Cu 涂层组织结构的影响
• 3.4 温度与后期热处理对 Al-Sn-Cu 涂层组织结构的影响
• 3.5 不同基底材料对 Al-Sn-Cu 涂层组织结构的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 Al-Sn-Cu 涂层性能的研究
• 4.1 溅射气压对 Al-Sn-Cu 涂层性能的影响
• 4.1.1 溅射气压对 Al-Sn-Cu 涂层硬度的影响
• 4.1.2 溅射气压对 Al-Sn-Cu 涂层结合力的影响
• 4.1.3 溅射气压对 Al-Sn-Cu 涂层磨损性能的影响
• 4.1.4 不同 Ar 气压对 Al-Sn-Cu 涂层的电化学分析
• 4.2 溅射时间对 Al-Sn-Cu 涂层性能的影响
• 4.2.1 溅射时间对 Al-Sn-Cu 涂层硬度的影响
• 4.2.2 溅射时间对 Al-Sn-Cu 涂层结合力的影响
• 4.2.3 溅射时间对 Al-Sn-Cu 涂层磨损性能的影响
• 4.3 溅射功率比对 Al-Sn-Cu 涂层性能的影响
• 4.3.1 溅射功率比对 Al-Sn-Cu 耐磨涂层硬度的影响
• 4.3.2 溅射功率比对 Al-Sn-Cu 涂层结合力的影响
• 4.3.3 溅溅射功率比对 Al-Sn-Cu 涂层磨损性能的影响
• 4.4 温度与热处理对 Al-Sn-Cu 涂层性能的影响
• 4.4.1 温度与热处理对 Al-Sn-Cu 涂层硬度的影响
• 4.4.2 温度与后期热处理对 Al-Sn-Cu 涂层结合力的影响
• 4.4.3 后期热处理对 Al-Sn-Cu 涂层磨损性能的影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢