等离子表面改性技术在刀具材料中的应用

摘要

硬质薄膜已广泛使用于机械加工业、半导体制备与汽车零件产业。纳米复合多层硬质镀膜比起传统硬质镀膜由于具备良好的耐磨与化学稳定性，成为近年来学术研究与工业应用之热门领域。
　　 等离子表面涂层技术在提升涂层刀具寿命和效率方面，具有非常好的应用前景。下面介绍离子注入技术。离子注入(ionimplantation)是以适当的离子能量与剂量注入靶材，以便对原材料先天不足的电性、机械、物理与化学等进行改性。因此，离子注入技术作为一种重要的材料表面改性手段，在科学技术和工业上得到广泛的应用，这项技术已被用于沉积DLC薄膜，在系统中被用于产生等离子体和薄膜沉积的气体可以是各种碳氢化合物气体。碳氢化合物的离子团在撞击工件表面的同时，会沉积含有一定量氢的类金刚石薄膜。
　　 本研究使用Ar、甲烷的混合气体作为工作气体，利用等离子体离子注入沉积设备在刀具材料上制备纳米多层薄膜。除克服在不锈钢基底上难以直接形成碳膜的困难外，还对薄膜的键结构、表面形貌、硬度、附着强度等性能展开研究。并通过调节偏压、Ar及甲烷气体量比率、脉冲宽度与频率，研究工艺参数对薄膜性能的影响，对等离子体注入与沉积制备纳米多层膜进行讨论。对于改性前后体系的化学组成、微观结构以及力学性能的改善进行了系统的研究，并对强化机制进行了相应的探讨。
　　 阴极电弧沉积技术具有高离化率、沉积速度快、可使用合金靶材等优点，近年来国内在此技术上已开发出相关系统硬件与商业化镀膜技术。本论文将介绍新开发的阴极电弧沉积系统，制备具有纳米多层结构的氮化铝钛(TiAIN/CrN)薄膜，探讨其微结构、机械性质与工业应用。并讨论了外加磁场和金属网罩产生的均匀内场对这一工艺的改进情况。
　　 接着，利用两种方法沉积碳薄膜:(1)过滤阴极电弧沉积;(2)射频等离子体沉积，得到了不同sp3/sp2比的单层与多层结构碳膜。在受控条件下，总应力维持在可接受的水平，同时可以通过形成一个控制层阻止薄膜的分层。并且使用拉曼光谱、扫描电镜、原子力显微镜对这些结构进行了研究。

目录

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摘要

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第1章 绪论

1．1 引言

1．2 硬质涂层

1．3 等离子体简介

1．4 等离子技术在薄膜沉积中的应用

1．4．1 溅射

1．4．2 等离子增强化学气相沉积(PECVD)

1．4．3 等离子体浸没式离子注入技术(PIII)

第2章 类金刚石膜与多层膜

2．1 基本原理和性能

2．1．1 碳

2．1．2 无定形碳

2．2 薄膜的合成

2．2．1 生长机制

2．2．2 沉积技术

2．3 多层膜

2．3．1 纳米多层膜的强化机制

2．3．2 nc-TiAlSiN薄膜的各元素特性

2．4 纳米多层膜超硬刀具的应用

第3章 实验设备与测试方法

3．1 材料表面改性

3．1．1 金属材料强化原理

3．1．2 等离子浸没式离子注入(PIII)

3．2 实验方法及步骤

3．4．1 实验目的

3．4．2 制备步骤

3．3 等离子体注入沉积(PIII-D)设备

3．4 分析仪器

3．4．1 SEM

3．4．2 XPS X射线光电子能谱分析(X-fay photoelectron spectroscopy analysis)

3．4．3 原子力显微镜(AFM)

3．4．4 X光衍射仪(x-ray Diffraction,XRD)

3．4．5 拉曼(Raman)光谱仪

第4章 等离子浸没式离子注入合成高结合力类金刚石膜

4．1 背景

4．2 实验方法

4．3 结果与讨论

4．4 结论

第5章 阴极电弧技术的改良

5．1 阴极电弧技术

5．1．1 阴极电弧沉积技术原理

5．1．2 微粒及微孔隙的形成

5．2 nc-TiAlSiN薄膜的制备

5．3 结果与讨论

5．3．1 nc-TiAlSiN薄膜微结构形态分析

5．3．2 nc-TiAlSiN薄膜的化学组态分析

5．3．3 磁过滤系统对薄膜的影响

5．4　结论

第6章 等离子化学气相沉积与阴极弧沉积碳薄膜之比较

6．1 背景

6．2 实验过程

6．3．1 碳薄膜的制备

6．3．2 内应力测量

6．4 结果与讨论

6．4．1 薄膜生长速率

6．4．2 类金刚石薄膜应力

6．5 拉曼光谱

6．6 结论

第7章 总结

7．1 主要结论

7．2 本课题创新点

附录 辉光放电的物理过程

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果