磁控溅射法制备Cr-N系蔳膜及其性能评价

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CrN薄膜由于具有优良的耐磨性能、热稳定性能和抗氧化性能,被广泛应用于刀具和模具的表面涂层,以提高机械部件的使用寿命。为进一步改善CrN薄膜的性能,采用磁控溅射法制备了不同氮流量比条件下的CrN薄膜、不同调制周期和层厚比的Cr/CrN多层薄膜以及不同偏压下的CrSiN复合薄膜,系统地研究了薄膜的成分和组织结构对力学性能和摩擦学性能和腐蚀性能的影响。   研究了沉积工艺对CrN薄膜的组织和性能的影响,结果表明,随着氮流量比增大,直流磁控溅射CrN薄膜中的N含量增大,薄膜始终由CrN相组成,呈[111]择优生长,薄膜由疏松的柱状结构趋向较为致密的柱状结构,显微硬度从500HV增至1600HV;而射频磁控溅射CrN薄膜在氮流量比增大过程中发生了CrN和Cr2N两相共存向CrN单相的组织转变,显微硬度亦增大,具有更加优良的膜基结合性能。耐腐蚀性试验表明,氮流量比为0.7时的直流CrN薄膜和氮流量比为0.5时的射频CrN薄膜具有低的腐蚀电流密度,抗腐蚀性良好。   研究了直流磁控溅射法制备Cr/CrN多层结构薄膜的结构和性能,结果表明,随着调制周期(层厚比固定为1)和层厚比(调制周期固定为400nm)的减小,Cr/CrN多层膜在每个单层中以细小的柱状结构生长,薄膜结构致密,始终由Cr相和CrN相组成,显微硬度增大,磨损率下降,摩擦系数约为0.85。   为进一步提高CrN薄膜的组织致密性,研究了Si合金化对其结构和性能的影响,结果表明,随着偏压的增大,Si含量保持为11at.%,择优取向由CrN[111]逐渐向[200]转变,薄膜硬度由500HV增至3000HV,磨损率由2.7×108mm3/Nm降至0.9×10-8mm3/Nm,摩擦系数约为0.55。XPS和TEM结果表明CrSiN薄膜中存在着非晶态Si3N4,并呈现出非晶相包裹纳米晶的结构特征。   为了满足实际工业应用的要求,对CrSiN薄膜还进行了高温性能评价试验,结果表明,CrSiN薄膜比CrN薄膜具有更加优良的热稳定性和抗氧化性。
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