CrN/CrAlN多层薄膜的制备及其摩擦学性能

摘要

当前国家因机械零部件等磨损造成巨大的经济损失，同时机械加工行业对耐磨保护薄膜要求越来越高，因此研究开发综合性能良好的耐磨薄膜具有重要的意义。通过表面技术在基体表面制备耐磨薄膜已经被证明能够有效提高基体的服役寿命。本论文采用直流反应磁控溅射方法在304不锈钢表面沉积CrAlN以及CrN/CrAlN多层薄膜，并对CrN/CrAlN多层薄膜进行不同温度下真空热处理。在实验条件下研究氮气流量对CrAlN薄膜组织结构与摩擦性能的影响。并以此为研究基础，制备出不同调制周期的CrN/CrAlN多层薄膜，之后对CrN/CrAlN多层薄膜进行真空热处理，研究调制周期和热处理温度对多层薄膜组织结构与摩擦性能的影响。
　　本研究主要内容包括：⑴随着氮气流量的增加，CrAlN薄膜的显微硬度呈先增加后降低的趋势，薄膜的摩擦系数与磨损率却随着氮气流量的增加呈现先降低后增加的趋势，薄膜的主要物相为CrAlN与Cr2N相。氮气流量为20 sccm时具有最高的显微硬度与最低的摩擦系数，同时薄膜具有最低的磨损率，显示出最好的耐磨损性能。⑵制备的CrN/CrAlN多层薄膜主要物相为CrAlN和Cr2N相，CrAlN(200)呈择优取向，Cr2N(111)呈择优取向。多层薄膜表面粗糙度随着调制周期的增加呈增加的趋势，继续增加调制周期至543 nm时，薄膜表面粗糙度又有降低的趋势，而薄膜的显微硬度随薄膜调制周期的增加一直呈逐渐降低的趋势。磨损实验表明，摩擦系数、磨损率与表面粗糙度呈现相同的趋势，在调制周期为102 nm时薄膜的显微硬度最高且磨损率达到最小值为0.31×10-14m3/N·m，多层薄膜虽然显微硬度相对较低，但总体比CrAlN薄膜表现出较好的耐磨性能。⑶制备的热处理薄膜表面粗糙度随热处理温度的升高呈增加的趋势，而且随着热处理温度的增加薄膜的显微硬度呈下降的趋势。热处理对薄膜的物相有着显著的影响，相对热处理前，热处理后Cr2N(111)衍射峰强度逐渐降低，CrAlN(200)晶面衍射峰强度增加。热处理温度为600℃时薄膜开始出现Cr2N(101)衍射峰且薄膜表层开始出现Al2O3和Cr2O3衍射峰，继续提高热处理温度，开始出现Cr2N(300)衍射峰。随着热处理温度的增加薄膜的摩擦系数呈增加的趋势，但薄膜的磨损率却先增加后减小，在热处理温度为400℃时，磨损率具有最小值，700℃磨损率具有最大值。总体来说，较未热处理相比，热处理温度在400℃、500℃、800℃时都有效的提高了薄膜的耐磨损性能，说明一定的热处理温度能够有效的改善薄膜的摩擦性能。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 氮化物薄膜的研究现状

1.3 氮化物薄膜的制备方法

1.4 课题研究内容

第二章 实验材料与研究方法

2.1 实验材料

2.2 样品

2.3 薄膜的表征

2.4 薄膜力学性能测试

第三章 CrAlN薄膜的制备与性能研究

3.1 前言

3.2 形貌及相结构

3.3 力学性能

3.4 摩擦磨损行为

3.5 小结

第四章 CrN/CrAlN多层薄膜的制备与性能研究

4.1 前言

4.2 形貌及相结构

4.3 力学性能

4.4 摩擦磨损行为

4.5 小结

第五章 热处理对CrN/CrAlN多层薄膜性能的影响

5.1 前言

5.2 形貌及相结构

5.3 力学性能

5.4 摩擦磨损行为

5.5 小结

第六章 结 论

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果