磁控濺射納米多層膜替代電鍍鉻涂層的研究.pdf

1、工業(yè)電鍍鉻涂層在各行各業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，然而電鍍鉻過程對環(huán)境的污染十分嚴(yán)重。本論文工作為合成和表征CrN基的納米多層膜以用于對工業(yè)電鍍鉻涂層進(jìn)行取代；研究的材料包括氮化鉻薄膜、Cr-Zr-N三元多相、多層薄膜以及CrN/ZrSiN納米多層膜。因電鍍鉻在現(xiàn)代工業(yè)中的應(yīng)用是多種多樣的，在本論文中，主要針對其抗磨損，抗腐蝕等領(lǐng)域的替代進(jìn)行了研究。論文研究目的為：探索基于磁控濺射技術(shù)的、結(jié)構(gòu)和性能可控的新型薄膜，使其能應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模的電鍍鉻取代

2、。論文中應(yīng)用到GDOES、XRD、SEM以及TEM等技術(shù)對薄膜成分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，薄膜的力學(xué)性能、摩擦學(xué)以及抗腐蝕性能則通過納米硬度、摩擦學(xué)測試以及動(dòng)電位極化等技術(shù)表征。論文主要工作分為以下幾個(gè)方面：
　　 首先研究了氮化鉻薄膜的合成和優(yōu)化技術(shù)，特別針對磁控濺射參數(shù)中的氮?dú)饬髁恳约盎w偏壓的優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，薄膜成分和相結(jié)構(gòu)隨氮?dú)饬髁康淖兓?guī)律可以通過沉積氣壓、濺射靶電壓隨氮?dú)饬髁孔兓那€來預(yù)測；在6sccm

3、和12sccm的氮?dú)饬髁肯路謩e得到了純的Cr2N和CrN薄膜。硬度測試結(jié)果表明純的Cr2N、CrN以及具有<200>擇優(yōu)取向的鉻固溶體Cr(N)具有較高的硬度和彈性模量。摩擦磨損測試發(fā)現(xiàn)CrN比Cr2N抗研磨磨損能力更好。腐蝕測試鑒定，在3.5％NaCl溶液中，幾種材料的抗腐蝕能力高低順序?yàn)閍-CrN>Cr>Cr2N>CrN>AISI304。此外，本文還應(yīng)用等離子體發(fā)射光譜(OES)研究了氮化鉻薄膜的性能隨偏壓變化的規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)沉積氮

4、化鉻薄膜的化學(xué)反應(yīng)過程主要是在基體表面上進(jìn)行的；增加基體偏壓將導(dǎo)致氮化鉻薄膜中氮成分下降。在中等偏壓(60V<｜U6｜<100 V)下沉積的氮化鉻薄膜具有較高的硬度和彈性模量并同時(shí)具有較低的摩擦系數(shù)和最好的抗研磨磨損能力。由于以60V射頻自偏壓沉積的CrN薄膜在抗磨損以及抗腐蝕兩方面均表現(xiàn)優(yōu)異，因此本論文確定沉積薄膜的基體偏壓優(yōu)化值為60V。
　　 在Cr-Zr-N系統(tǒng)中研究主要針對體系中的多層膜系統(tǒng)，同時(shí)還研究了該體系中的多元

5、薄膜。對于Zr改性的CrN薄膜(CrN(Zr))多元薄膜，XRD分析表明薄膜結(jié)構(gòu)為置換固溶體。當(dāng)CrN(Zr)薄膜中Zr成分為1.5 at.％時(shí)，薄膜具有最大的硬度，為24GPa。腐蝕測試結(jié)果表明，Zr的添加提高了CrN薄膜的化學(xué)惰性。對CrN/ZrN多層膜的研究表明所得薄膜為周期結(jié)構(gòu)的納米多層膜。TEM觀察發(fā)現(xiàn)該納米多層膜由納米晶的CrN和ZrN單層組成。此外，多層膜硬度受調(diào)制周期影響較小，幾乎為常數(shù)(29GPa)。研究結(jié)果還表明所得

6、到的納米多層CN/ZrN薄膜具有良好的抗磨損性能。電化學(xué)測試顯示薄膜具有較高的抗腐蝕能力。
　　 論文進(jìn)一步的工作為往CrN/ZrN多層膜中的ZrN單層中加入Si元素。沉積得到的CrN/ZrSiN多層膜調(diào)制周期從11nm～153nm不等。ZrSiN單層膜為納米復(fù)合結(jié)構(gòu)；多層膜為具有良好周期性的納米多層膜結(jié)構(gòu)。多層膜具有不隨調(diào)制周期變化、幾乎為常數(shù)的硬度和彈性模量，其數(shù)值分別為30GP和350GPa。CrN/ZrSiN多層膜的性能