交替偏壓工藝及Zr-Ni合金化對CrN薄膜結(jié)構(gòu)與性能的影響.pdf

1、作為典型的硬質(zhì)薄膜材料，金屬氮化物陶瓷薄膜因具有高硬度、高耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及絢麗的色彩而廣泛應(yīng)用于切削和成型工具表面改性。同較早商業(yè)化應(yīng)用的TiN系薄膜材料相比CrN系薄膜因具有更強的抗磨、減磨性，耐腐蝕性，高溫穩(wěn)定性及可形成厚膜等特點，被認為極有潛力取代前者。目前限制其廣泛應(yīng)用的原因有:1)硬度偏低;2)CrN薄膜本身抗腐蝕性能優(yōu)越，但膜基體系易發(fā)生電化學(xué)腐蝕破壞。為了能更有目的地解決這兩個問題，本文采用直流磁控濺射的方法，

2、分別制備出了不同交替周期偏壓下的二元CrN薄膜和Zr、Ni合金化形成的CrZrN、CrNiN薄膜，從工藝和成分兩方面對CrN薄膜的結(jié)構(gòu)和性能進行改善。
　　 在周期交替偏壓沉積薄膜部分，本文選擇了使CrN薄膜分別呈現(xiàn)單一(111)和(200)擇優(yōu)生長的-50V和-125 V兩個基底偏壓，2 min、10 min、20 min、30 min和50 min五個周期。實驗結(jié)果表明:不同偏壓條件下得到薄膜均為單一的Bl-NaCl結(jié)構(gòu)的C

3、rN相;交替偏壓下薄膜的斷面雖仍為柱狀晶結(jié)構(gòu)，但它們已不再貫通整個膜層而是呈現(xiàn)出一種被分割的狀態(tài);工作氣壓為5 Pa，載荷為0.098N(以下同)時，2min時薄膜的硬度(1540HV)已十分接近恒壓-125 V時的硬度值(1779HV)，降低工作氣壓至0.5 Pa時，在-125V偏壓條件下CrN薄膜的硬度達到2400 HV，且仍然是周期為2min時薄膜硬度接近恒壓-125 V時硬度值;交替偏壓工藝下膜層體系的腐蝕電位得到明顯提高，其中

4、周期為2 min時，體系的腐蝕電位由不銹鋼基底的-367 mV及-125V恒定偏壓樣品的-174 mV提高到0mV，腐蝕電流密度與恒定偏壓樣品相比降低了三個數(shù)量級，而孔隙率更是由0.95％減小至0.01％。
　　 Zr合金化對CrN薄膜結(jié)構(gòu)和性能的研究表明:Zr元素主要以固溶的方式存在于CrN薄膜中，在不同的Zr含量及偏壓條件下得到CrZrN薄膜的最高硬度值約為3275 HV。CrZrN薄膜的抗腐蝕能力和基底材料相比都有明顯的改

5、善，特別是當Zr含量約為16 at.％時，薄膜具有最小的腐蝕電流密度和孔隙率，分別為3.3×10-μA/cm2和0.009％。隨著氮流量比的增加，CrZrN薄膜的擇優(yōu)生長由(200)轉(zhuǎn)向(220)轉(zhuǎn)向(111)再轉(zhuǎn)向(311)，即由高密度原子晶面轉(zhuǎn)向低密度原子晶面，且在氮流量比為0.8時達到最大硬度值約3310 HV。
　　 Ni合金化對CrN薄膜結(jié)構(gòu)和性能的研究表明:Ni元素主要以非晶的形式存在于CrN薄膜中;少量Ni(8.8

6、 at.％)的加入可以提高CrN薄膜的硬度，由原來的2393 HV提高至2497 HV;但當Ni元素含量從8.8 at.％提高至39.1 at％時，膜層的結(jié)構(gòu)雖然趨于致密化，但硬度顯著下降，由2393 HV降低至1484 HV。然而，電化學(xué)腐蝕實驗結(jié)果卻表明CrNiN薄膜的腐蝕電位與前面兩種薄膜相比最高，都大于0 mV，其中當Ni含量為39.1 at.％時，CrNiN薄膜的腐蝕電位為409 mV，孔隙率為0.006％，也是三種薄膜中最低