多元复合纳米膜的研究

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1、摘要

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3、nI

4、摘要TiN涂层具有摩擦系数小、硬度高、耐磨性好、耐蚀、抗氧化等一系列优点。如果TiN涂覆技术质量控制得好，可使刀具和模具的使用寿命提高2"-10倍，是一种实用价值很高的表面处理技术。但是，随着制造技术的不断提高，对工模具的表面膜的硬度、耐磨性、耐蚀、抗氧化性及其与基体结合强度等综合机械性能的要求也不断提高，TiN等单一的二元膜已难以满足实际的要求，国内外的研究都局限于在TiN的基础上添加某一种元素来提高薄膜的某一方面性能，如：TiN-A1能提高薄膜的高温抗氧化性；TiN—Cr能提高薄膜的硬度和抗磨损性能；TiN—Cu能提高薄膜的硬度等。而对TiN多元复

5、合涂层的研究鲜有报道；在纳米复合膜的制备模式中，一般均采用磁控溅射的方法，以获得纳米复合薄膜；但磁控溅射的成膜速率较低，在工业生产中难以获得大量的应用。而采用工业生产中广泛应用的多弧离子镀技术，制备纳米复合膜的研究却鲜有报道。本文采用多弧离子镀技术，以工业不锈钢和工业纯Ti为靶材，通过调整不锈钢靶间歇开启的间隔时间和不锈钢靶燃弧时间，制备了TiN多元纳米复合多层膜。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(X】m)、X射线能谱仪(EDS)、显微硬度仪、高速滑块磨损试验机等方法对复合膜的断口形貌、相组成、成分、择优取向、显微硬度和磨损性能等方面进行了深入的研究，并初步探讨了

6、其致硬、抗磨损机理。研究结果显示，采用多弧离子镀技术可以制备出硬度高达30GPa且磨损性能优于纯TiN薄膜的TiN多元纳米复合多层膜。TiN多元纳米复合多层膜呈均匀的层状分布，层与层之间有明显的界限，每单层膜的组织结构为非常细小的柱状晶，且单层膜的厚度随镀膜工艺参数的不同而不同。复合多层膜硬度最高为纯TiN膜的1．5倍，表面磨损划痕深度和宽度均不足纯TiN膜的一半。研究表明，这是由掺杂元素含量、不锈钢靶间歇开启方案、膜层择优取向等多个因素共同决定的。在其它工艺条件不变的情况下，不锈钢靶开启的间隔时间及其燃弧时间对复合多层膜硬度和磨损性能均有着显著的影响。复合多层膜硬度

7、随着不锈钢靶开启的间隔时间、燃弧时间的增大，均呈现先增大后减小的基本趋势；而复合多层膜北京工业大学工学硕{j学位论文的磨损性能也有类似的规律。由试验数据可知，当不锈钢靶燃弧时间为10s～15s，其开启的间隔时间为3,～,5min时，复合多层膜易获得较高的综合性能：间隔5min开启不锈钢靶15s时，复合多层膜的硬度达到30GPa；表面磨损划痕也较浅、较窄。掺杂元素的掺入影响了纯n：N的柱状生长，使其不再以单一的(111)面优先生长，而是转向无明显择优取向生长、(200)晶面择优生长或以(111)、(200)两个晶面择优生长。当复合多层膜无明显择优取向时，硬度值很低，一般

8、只有20GPa；磨损性能也和纯TiN相当。当复合多层膜以(220)晶面择优取向时，硬度值不高，一般为25GPa左右；磨损性能有所改善。当膜层主要以(111)或(200)两个晶面择优取向时，硬度值较高，达到了30GPa；薄膜的磨损性能也达到了最佳值。关键词多弧离子镀；纳米复合膜；择优取向；硬度；磨损性能IIAbstractTiNfilmhassmallfrictioncoefficient、superhardness、betterwearproperties、oxidationresistanceadvantages．ThelifeofabrasivesCanimpro

9、vetentimesifthequalityofplatingtechnologyisbetter．Withthecontinuousimprovementofmanufacturingtechnology,thedemandsoffrictioncoefficient、superhardness、beuerwearproperties、oxidationresistancearecontinuallyincreasing．TiNfilmcan’tmeetdemand，SOittowardsthedirectionofpluralismandmulti-storey．

10、InthepaRernsofplatingnanocompositefilms，themeansofmagnetronsputteringiscurrentlyusedformakingsuperhardnanocompositefilms．Butitcan’twidelyusedinindustrialmanufacturebecausetheefficiencyislaw．Theresearchofpreparingnanocompositefilmsbymulti-arCionplatingtechniquethatisappliedmostw