电弧离子镀nc-MeN/α-Cu纳米复合超硬薄膜研究

摘要

渗氮38CrMoAl钢具备良好的韧性、耐磨性和一定的硬度，是最常用的构件用钢，广泛应用于机械、汽车、航空等行业。但是，随着工业技术的快速发展，越来越多的工况显示38CrMoAl钢经简单的渗氮处理后已经不能完全满足使用需求，需要对其表面进行进一步的强化改性处理。氮化物陶瓷/软相纳米复合薄膜作为最新的超硬薄膜材料，具备很好的硬度、韧性和较好的耐磨性。
　　本文在中航工业产学研联合攻关项目《38CrMoAl钢表面载能束复合改性技术研究》资助下，利用电弧离子镀技术在38CrMoAl钢表面制备nc-MeN/α-Cu氮化物陶瓷/软相纳米复合薄膜对渗氮38CrMoAl钢进行了表面改性处理，以满足项目所需要的性能要求，并对薄膜的硬化机制进行了探讨。首先，采用电弧离子镀设备在渗氮后的38CrMoAl基体上制备了一系列不同Cu含量的nc-TiN/α-Cu薄膜，并对薄膜的性能进行了分析。结果表明，6组nc-TiN/α-Cu薄膜均致密平整，厚度约为0.8μm，相结构由纳米晶的TiN和非晶的Cu构成。硬度随着Cu含量的增加，先增大后减小，在Cu含量为1.28 at.％时，该薄膜的硬度达到了44.0 GPa，膜基结合力可达到70 N，耐磨性良好，摩擦系数与纯TiN薄膜相当。该薄膜硬度和耐磨性完全能满足构件的性能要求。最后对薄膜的硬度变化规律进行了讨论。其次，基于拓宽渗氮38CrMoAl钢表面改性膜系的选择和获得更好的纳米复合薄膜的目的，本论文又制备了了一系列不同Cu含量的nc-CrN/α-Cu薄膜，并对薄膜的性能进行了分析。结果表明，5组薄膜致密平整，厚度为0.6μm，除了3＃薄膜（Cu含量为1.57 at.％的薄膜）外，均由CrN相和晶体Cu相组成，但硬度较低，与CrN硬度相当。但3＃薄膜由CrN相和非晶Cu相组成，其中CrN(111)衍射峰发生明显偏移，该薄膜硬度较高，达到26 GPa。本章最后同样分析了影响薄膜硬度变化的原因。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2．硬质薄膜及其发展历程

1．2．1 硬质薄膜定义

1．2．2 硬质薄膜发展历程

1．3 超硬薄膜及其发展历程

1．3．1 超硬薄膜定义

1．3．2 超硬薄膜的发展历程

1．4 纳米复合超硬薄膜

1．4．1 纳米复合薄膜理论

1．4．2 纳米复合薄膜的分类

1．4．3 纳米复合薄膜的制备方法

1．5 电弧离子镀技术

1．6 论文工作的内容与意义

2 实验设备、样品制备与检测方法

2．1 实验设备介绍

2．2 基体材料的选择、样品预处理及制备

2．2．1 基体材料选择

2．2．2 样品预处理及性能

2．3 薄膜制备方法

2．4 薄膜检测方法

2．4．1 扫描表面形貌分析

2．4．2 电子探针成分测试

2．4．3 薄膜厚度表征

2．4．4 XRD相结构分析

2．4．5 纳米压痕硬度测试

2．4．6 膜基结合力测试

2．4．7 摩擦磨损测试

3 nc-TiN／α-Cu纳米复合薄膜研究

3．1 nc-TiN／α-Cu纳米复合薄膜实验方法

3．2 nc-TiN／α-Cu纳米复合薄膜表征与分析

3．2．1 SEM表面形貌

3．2．2 薄膜厚度表征

3．2．3 电子探针成分测试

3．2．4 XRD相结构分析

3．2．5 纳米压痕硬度分析

3．2．6 膜基结合力

3．2．7 摩擦磨损性能测试

3．3 致硬机理探讨

本章小结

4 nc-CrN／α-Cu纳米复合薄膜研究

4．1 nc-CrN／α-Cu纳米复合薄膜实验方法

4．2 nc-CrN／α-Cu纳米复合薄膜表征与分析

4．2．1 SEM表面形貌

4．2．2 电子探针成分测试

4．2．3 薄膜厚度表征

4．2．4 XRD相结构分析

4．2．5 纳米压痕测试

4．3 硬度探讨

本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢