不锈钢表面阴极弧制备TiN薄膜及抗磨/耐锡腐蚀性能研究

论文摘要

由于无铅钎料广泛用于波峰焊,导致了许多波峰焊元件严重的沾锡及锡腐蚀现象。使用商不得不面临的维修频率高和波峰焊元件的寿命缩短等问题。本文通过磁过滤阴极弧沉积TiN薄膜,描述与无铅钎料接触作用并与不锈钢和钛进行比较,讨论了解决该问题的方法。本文采用磁过滤真空阴极弧（FCVAD）的方法,在304不锈钢表面沉积TiN薄膜,并通过扫描电子显微镜（SEM）、金相显微镜、显微硬度、摩擦磨损、X射线衍射（XRD）、划痕试验和电化学腐蚀等检测手段对薄膜的组织结构和性能进行了分析。考察了气体压强及分压比和基体偏压参数对薄膜的成分及性能的影响。测试了TiN薄膜的抗沾锡及耐锡腐蚀性能,并与钛和不锈钢进行了对比分析。结果表明,选用适当的参数,可在基体表面制备出色泽美观、表面光滑的薄膜,并使基体表面显微硬度显著提高。同时,薄膜的抗磨损性能和耐腐蚀性能均有显著改善。研究发现较高的N2分压比和-150V左右的直流偏压能沉积出性能较为优异的TiN薄膜,表面光滑致密,TiN生长方向为（111）,显微硬度达到689HV,是基体和钛硬度的3-4倍,摩擦系数由基体的0.6降低到0.2,具有较低的磨损率;而腐蚀电位由基体的-0.597V提高至-0.239V,腐蚀电流也由基体的33.66μA降低到13.75μA。而在偏压为-150V时薄膜结合力最大能达到34.80N,在锡液中经过热循环或浸泡后,均未明显影响其膜基结合力。磁过滤真空阴极弧沉积TiN膜相对于不锈钢基体具有明显增加的抗锡润湿及耐锡腐蚀性能,在265℃左右的温度,其表现了较大的润湿角,约为140°,较小的润湿力,约为0N。沾锡量比不锈钢基体具有明显改善,而且比钛还略少。在高温钎料中,TiN膜可以表现出比钛更良好的耐锡腐蚀性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 波峰焊介绍
• 1.2.1 波峰焊原理
• 1.2.2 不锈钢材料钎料腐蚀情况
• 1.2.3 钛沾锡及被锡腐蚀情况
• 1.3 表面工程技术和TiN薄膜制备技术现状
• 1.3.1 表面工程强化技术简介
• 1.3.2 磁过滤阴极弧沉积的特点
• 1.3.3 磁过滤阴极弧的应用
• 1.4 氮化钛薄膜材料简介
• 1.4.1 氮化钛材料特性
• 1.4.2 氮化钛材料的应用
• 1.4.3 氮化钛薄膜的主要制备方法
• 1.5 本课题研究的内容
• 第2章 实验设备、方法及分析检测手段
• 2.1 实验设备
• 2.2 实验材料与试样的制备
• 2.3 实验方法与工艺研究
• 2.3.1 气体离子源清洗
• 2.3.2 磁过滤阴极弧沉积TiN薄膜工艺
• 2.4 分析检测方法
• 2.4.1 膜层表面形貌观测
• 2.4.2 SEM扫描电镜观察
• 2.4.3 XRD（X-Ray Diffraction）分析
• 2.4.4 膜基结合力测试
• 2.4.5 硬度测试
• 2.4.6 摩擦磨损性能测试
• 2.4.7 电化学腐蚀测试
• 2.4.8 润湿角测试
• 2.4.9 润湿力测试
• 2.4.10 表面能测试
• 2.4.11 抗沾锡性能测试
• 2.4.12 抗锡腐蚀性能测试
• 第3章 FCVAD制备TiN薄膜性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 膜层表面形貌观测
• 3.3 X-Ray Diffraction （XRD）分析
• 3.4 膜基结合力测试
• 3.5 硬度测试
• 3.6 摩擦磨损性能测试
• 3.7 腐蚀测试
• 3.8 本章小结
• 第4章 TiN薄膜的抗锡润湿和耐锡腐蚀性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 润湿性能测试
• 4.3 沾锡性能测试
• 4.4 薄膜抗锡腐蚀性能测试
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢