cr crn多层膜的结构及腐蚀性能研究

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1、Cr/CrN多层膜的结构及腐蚀性能研究(1)时间:2009-11-26　　来源:鞍钢股份有限公司技术中心　　编辑:钟彬　　CrN薄膜因其具有的良好的机械性能和抗腐蚀性能优势，被广泛用于切削和成型工具表面改性，在电弧离子镀系统中，基体可以保持在较低温度，不仅不会影响材料的机械性能，同时能够大幅度提高硬度和耐磨损性能。然而，PVD(电弧离子镀)方法制备CrN薄膜时，不可避免的会场产生应力、孔隙、针孔、裂纹等结构缺陷，严重的影响了薄膜的抗腐蚀性能。随着工业技术的进一步发展，必需改善CrN薄膜的力学性能和抗腐蚀性

2、能。最近Jehn总结了最近十年改善薄膜抗腐蚀性能的方法。其中，用PVD方法制备多层结构和多相结构来改善腐蚀性能是最有意义和最优化的技术。　　德国学者W.Brandl等和法国学者J.Creus等用化学镀Ni作为中间层沉积CrN，分别在1moL/LH2SO4溶液和3%NaCl溶液中电化学测试表明：添加中间层后，涂层体系防护性能显著提高。同时证明使用氮化物薄膜(如TiN)做过渡层，对提高基体的抗腐蚀性能是毫无意义的：台湾学者Yin-Yuchang等通过对CrN离子注入Nb元素，生成了Cr-Nb-N相，具有非晶性

3、质和化学惰性，提高了CrN在3%NaCl溶液中的抗腐蚀性能。台湾学S.Han等用电镀Cr(6μm)做中间层沉积CrN，在3%NaCl溶液中电化学测试表明：开路电位(OCP)正向移动450mv，没有中间层的CrN仅仅移动了90mv，电镀Cr膜作为钝化层，可以有效防护基体。　　虽然电镀Cr、化学镀Ni和离子注入都能够提高薄膜的抗腐蚀性能，但增加了额外的镀膜工序，不能在真空室内一次完成，同时消失镀膜无污染的优势，综合考虑，纯金属作为中间层是一个很好的发展方向。考虑CrN硬质涂层不仅在空气条件下使用,也可能在腐蚀

4、介质条件下使用，因此研究其腐蚀特性，不但有理论意义,更具实用价值。　　本文采用电弧离子镀设备，在45#钢基体上制备了两种调制比的Cr/CrN多层膜，在分析了薄膜的相结构、表面及横截面形貌的基础上，在模拟海水中评价其抗腐蚀性能，分析其腐蚀机理，讨论了Cr中间层对CrN薄膜的抗腐蚀性能的影响。1、实验方法　　基体材料为45#钢，尺寸为Ф30mm×5mm，合金元素的质量(wt.%)：C:0.42～0.50；Cr:≤0.25；Mn:0.50～0.80；Ni:≤0.25；P:≤0.035；S:≤0.035；Si:0

5、.17～0.37。依次采用水砂纸逐级磨至1000#，并用0.1μm的金刚石膏抛光处理。为去除表面可能的污渍，用超声波在丙酮和无水乙醇分别清洗10min，并用去离子水清洗，烘干，随后放入真空设备中。　　使用自行研制的等离子体-离子束源增强沉积设备。靶材纯度为99.9%的铬。镀膜前基体被加热到150℃，背底真空2×10-3Pa，通入高纯氩气，在1000V直流负偏压下对样品进行轰击，以去除表面吸附的气体和杂质，随后偏压保持在-200V，工作气压0.45Pa，阴极弧电流为75A，控制氮气通断间歇送气，制备出5mi

6、n/10min和5min/15min两种通断间隔的Cr/CrN多层薄膜，以下简称为Cr/CrN(5/10)和Cr/CrN(5/15)，沉积时间均为120min。　　采用岛津XRD-6000X射线衍射仪对膜层相结构进行分析，仪器参数为：CuKα，电压40.0kV，电流30.0mA，扫描步长0.02°；利用JSM-5600LV扫描电子显微镜(SEM)对薄膜表面形貌进行了分析；用EPMA-1600型电子探针进行成分分析。在3.5%的NaCl溶液中，采用M273A恒电位/恒电流仪测量系统，直流动电位模式，饱和甘汞

7、电极(SCE)用作参比电极，铂电极用作辅助电极测定膜层的电化学性能，试样表面积为1cm2，先测出试样稳定后的自腐蚀电位，再以60mV/min的速度进行阳极极化扫描，电位扫描范围从-700mV到1200mV。2、结构与讨论2.1、薄膜相结构分析　　利用X射线衍射仪分析CrN膜层相结构，衍射图谱如图1所示，两种工艺条件制备的Cr/CrN多层膜主要是由CrN(f.c.c)、Cr2N(hex)、Cr(b.c.c)组成，以Cr2N(111)为择优取向，Cr衍射峰的出现归功于表层以下Cr中间层的存在，依据真空技术网的

8、文献:在Cr-N二元薄膜体系中，Cr2N相的硬度是很高的，而Cr相硬度相对较低，具有精细晶粒结构的Cr2N和Cr两相物质的薄膜在腐蚀和摩擦条件下具有优异的性能。与单层CrN薄膜相比可知：虽然多层沉积并不能够改变膜层的择优取向，但是有可能改变膜层的性能。图1Cr/CrN多层膜的X射线衍射图谱2.2、Cr/CrN多层膜的形貌　　图2为Cr/CrN(5/10)膜层的扫描电镜形貌图像，可以观察到薄膜表面存在电弧离子镀特有的大颗粒，除此