反应溅射形成氮化钛复合渗镀层耐磨耐腐蚀性能的研究

摘要

TiN涂层因具有高硬度、低摩擦系数、高粘着强度、化学稳定性好、良好的导电性和与钢铁材料的热膨胀系数相近等优点，而被广泛应用于机械、材料、化工、电子、冶金、航空航天等领域。特别是被用作高质量的切割工具，抗磨粒、磨蚀和磨损部件的表面工程材料。目前制备TiN涂层的主要方法有：化学气相沉积法(CVD)、物理气相沉积法(PVD)、等离子体化学气相沉积法(PCVD)、离子束辅助沉积法(IBAD)等。 本研究课题针对上述几种制备TiN涂层方法现存的问题，进行了技术改进。其基本思路是：利用辉光放电中的溅射现象、Ti丝的尖端放电和辅助阴极之间的空心阴极效应，并通入一定比例氮气和氩气的混合气体，在碳钢表面一次性合成TiN复合渗镀层。整个复合渗镀层成分、硬度和结构均呈梯度分布，渗镀层与基体的膜基结合力好，内应力小。该技术能够在基体表面形成所需厚度、结合强度极佳的复合渗镀层。同时具有节约贵金属，节省能源、无公害，可大面积处理和表面合金成分可控等显著优点，属于绿色环保技术。 在TiN复合渗镀层基础上进行PVD沉积薄膜，形成TiN复合渗镀层+TiN或TiN复合渗镀层+TiB2或TiN复合渗镀层+TiN+TiB2层。将TiN复合渗镀层、TiN复合渗镀层+TiN、TiN复合渗镀层+TiB2、TiN复合渗镀层+TiN+TiB2与在基体表面直接PVD沉积薄膜进行了耐磨性对比试验。同时将TiN复合渗镀层与TiN复合渗镀层+TiN、TiN复合渗镀层+TiB2、TiN复合渗镀层+TiN+TiB2、Q235钢基体和不锈钢在1mol/LH2SO4溶液和3.5％的NaCl溶液中进行了耐腐性对比试验研究。 为了了解辉光放电中电子的分布状况及能量，以便更好地对双层辉光离子渗金属技术的工艺参数进行控制，采用光谱诊断技术，对辉光放电中等离子体的电子温度、电子密度进行了分析研究。 本课题已获得以下结果： 1、首次将等离子放电中的空心阴极效应、尖端放电、阴极溅射现象和反应扩散原理相结合，在碳钢表面一次性渗镀合成TiN沉积层+TiN+Ti固溶体扩散层组织结构的复合渗镀层。 2、反应渗镀合成TiN的试验工艺参数：工作气体(高纯)Ar∶N2=100∶9；工作气压32～35Pa；工作电压350～500V；工作电流3.2A；合成温度1020℃；保温时问2h。 3、TiN复合渗镀层厚度为12μm。TiN复合渗镀层+TiN+TiB2表面显微硬度最高，达到3000HV;TiN复合渗镀层+TiN或TiN复合渗镀层+TiB2硬度次之；TiN复合渗镀层平均为2000HV；而直接在基体表面PVD沉积TiN薄膜，表面显微硬度仅为310HV左右。 4、TiN复合渗镀层+TiN或TiN复合渗镀层+TiB2的耐磨性能最好；TiN复合渗镀层次之；基体表面直接PVD沉积薄膜最差。 5、电化学腐蚀试验结果表明： 1)、在1mol/LH2SO4溶液中，TiN复合渗镀层的耐腐蚀性能比Q235钢和18-8不锈钢分别提高了4.2和1.4倍，其它工艺的耐腐蚀性能都较TiN复合渗镀层差； 2)、在3.5％的NaCl溶液中，TiN复合渗镀层的耐腐蚀性能比Q235钢提高了182.6倍；比18-8不锈钢耐腐蚀程度稍差；其它工艺的耐腐蚀性能都较TiN复合渗镀层差。 6、在辉光放电等离子体中，当辉光放电电压为500～1000V、P=30～100Pa时，电子温度在2～10eV范围内变化，而电子密度在1021m-3量级。

目录

文摘

英文文摘

第一章文献综述

第二章课题的提出

第三章TiN复合渗镀层工艺试验研究

第四章TiN复合渗镀层的组织结构及摩擦磨损性能

第五章TiN复合渗镀层耐腐蚀性能的研究

第六章辉光放电等离子体试验研究

第七章结论

致谢

攻读硕士学位期间发表学术论文