40Cr钢表面PN+PCVD复合处理的组织和性能研究

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1、第2页武汉科技大学硕士学位论文主要是针对已经失效的零件表面进行处理，以恢复或部分恢复其表面性能，延长其表面寿命的工艺方法；表面强化技术是针对零件表面性能不足进行的各种表面处理提高使用寿命的工艺方法。在修复技术中主要应用的表面技术有：堆焊技术、表面涂覆技术(如等离子喷涂、电弧喷涂、火焰喷涂等)、刷镀技术、电镀技术、化学镀技术。在表面强化技术中，主要有着四个方面的表面处理技术。(1)表面涂覆技术：利用外加涂层或镀层的性能使基材表面性能优化，基材不参与或者很少参与涂层的反应，对涂层的成分贡献很小。它是在零件表面涂覆一层强化层，厚度大约在微米至毫米数量级。(2)表面薄膜技术：按照一定的需要，利用

2、特殊的制备技术，在基体表面形成厚度为亚微米至微米级的膜层。从原子角度看，薄膜的表面呈不连续性，高低不平，表面内部有空位、位错等缺陷，并且有杂质的混入。它是在零件表面涂覆一层强化层，厚度大约在几微米到几百微米数量级。(3)表面合金化技术：通过物理或化学方法，在基体材料表面渗入一些金属元素或非金属元素，从而改变基体材料的成分和组织结构，以改善或获得所需要的表层性能。它是在基体材料表面形成一扩散强化层，厚度大约在数十微米到数百微米数量级。(4)表面复合处理技术：以上三种技术的复合处理，形成梯度结构材料。表面技术分类见表1．1。表1．1表面技术分类等离子喷涂、超音速喷涂、爆炸喷涂、电弧喷涂、火焰

3、喷涂、涂装、堆焊、表面涂覆技术电镀技术、刷镀技术、化学镀技术真空镀膜技术、离子镀膜技术、电弧蒸发镀技术、空心阴极离子镀技术、磁表面薄膜技术控溅射离子镀、离子束辅助增强沉积技术、化学气相沉积、物理气相沉积气体渗技术、固体渗技术、液体渗技、真空渗技术、双辉离子渗技术、感应表面合金化技术加热渗技术、离子注入技术、激光技术等离子喷涂与激光辐照复合、热喷涂与喷丸复合、化学处理与电镀复合、激表面复合处理技术光淬火与化学热处理复合、化学热处理与气相沉积复合1．2气相沉积技术目前，用于表面涂层强化的气相沉积技术主要有化学气相沉积(a巾)、物理气相沉积(PVD)两种基本形式。而等离子化学气相沉积(PCvD

4、)是在常规的基础上发展的另一种气相沉积技术。最早用于工业生产的是CvD技术，其优点是设备简单，工艺较成熟，镀层均匀性好，适合于大批量生产。但沉积温度过高(1000℃左右)，限制了CVD技术应用范围和基体材料武汉科技大学硕士学位论文第3页的种类。PVD方法克服了CvD高温沉积的缺点，可在500℃甚至更低的温度下获得结合较好的硬质镀层，适合于高速钢等常用刀具的强化【l31。但PVD设备复杂、造价昂贵，技术要求高，而且还存在绕镀性差的缺点，使镀层的均匀性受到影响。等离子体化学气相沉积(PCVD)技术是将辉光等离子体与常规CVD技术相结合，利用等离子体中高能电子电离反应气体，代替普通CVD的热解

5、过程，从而使成膜温度降到与PvD相当的水平，同时PCVD还继承了CVD技术绕镀性好、设备简单的优点。而且PCvD技术还在不断的发展完善，目前的一些研究成果表明【14】，其涂层的性能在某些方面可以与CVD和PVD竞争。因此，PCvD是一种具有广泛应用前景的技术。1．2．1CVD涂层强化技术气相沉积硬质镀层始于上个世纪末，1890年德国的Erlwein等利用化学气相沉积，氢气的参与下，用挥发性的金属化合物与碳氢化合物反应，在白炽灯丝上形成TiC。但直到1945年，CVD、TiC研究仍局限于实验室。1952年，德国金属公司的冶金实验室发现，在1000℃下铸铁表面也能得粘结很好的涂层。1954年

6、起，他们又在工模具表面也得到了致密、光滑、结合力良好的TiC涂层。1966年德国的克鲁伯公司申请得到了涂层硬质合金的专利，同时期瑞典的山特维克公司也开始了TiC涂层硬质合金的研究，并于1967年获得成功。到60年代末，CVD、TiC及TiN硬膜技术逐渐走向成熟，大规模用于硬质合金刀片及Crl2系列模具钢【l51。目前，在发达国家中，刀片的90％是带涂层使用的。化学气相沉积(Ch锄ical、，aporD印osition，简称CVD法)是利用气态物质在固态表面发生化学反应生成固态沉积的过程，整个反应建立在热力学基础上，它属于原子沉积类。系统中的化学反应有热分解、氧化、氢还原、与氨反应和与水反

7、应等几种类型16】。CvD反应的一般过程主要是：反应气体到达基片表面，反应气体分子被基片表面吸附，在基片表面产生化学反应、形核，生成物从基片表面脱离，生成物从基片表面扩散。其基本原理是沉积物以原子、离子、分子等原子尺寸的形态在材料表面的沉积，通过化学反应形成外加覆盖层。TiC、TiN镀层一般采用TiCl4、N2、H2和CH4作为反应气体，在1000℃左右反应沉积获得。其成膜速率与镀层的质量取决于沉积温度、混合气体成分和相对比例。反应