电弧离子镀CrN薄膜的制备及性能研究

作者:黄儒明;代明江;林松盛;刘洪喜; 刊名:金属热处理 上传者:李晓沛

【摘要】以气压、弧电流和偏压为影响因素设计正交试验,采用电弧离子镀技术在6Cr13Mo马氏体不锈钢表面沉积CrN薄膜.利用扫描电镜、显微硬度计、划痕仪对CrN薄膜的厚度、硬度、结合力进行检测,研究薄膜性能并优化其制备工艺.结果表明:靶电流对薄膜厚度及结合力影响最大,随着电流升高,膜层厚度急剧增大,而结合力逐渐降低;对薄膜硬度影响最大的为负偏压,随着偏压升高,膜层硬度先升高后降低.综合考虑CrN薄膜的表面质量、硬度、结合力,得到最佳制备工艺为气压1.4 Pa、靶电流100 A、偏压-100 V.

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活塞环作为发动机关键运动部件,在高温、高速、高压及润滑恶劣的工作条件下,随着发动机功率的提高,面临着更为严峻的摩擦磨损问题。因此,科研工作者通过采用表面处理技术(如激光熔覆、热喷涂、电镀、气相沉积等[1])提高其耐磨损性能,能够有效地提高其使用寿命。各处理方法的优缺点决定了其在工程领域方面的应用[2-3],其中气相沉积不仅可以沉积金属、合金涂层,还可以沉积多种多样的化合物、非金属、半导体、陶瓷和有机物的单层或多层结构涂层,被广泛应用于机械、电子、航空等重要工业领域[4-5]。气相沉积TiN陶瓷涂层因其具有高的硬度能够提高工件耐磨性、延长其使用寿命,而成为第一个产业化的硬质薄膜材料[6-8]。与TiN相比,CrN膜具有低的内应力、更好的韧性、耐磨和耐腐蚀性能等优点[9-11],在一些应用领域如汽车、船舶等,CrN薄膜具有更强的应用性能,是继TiN薄膜之后的研究热点之一。在CrN薄膜制备过程中,工艺参数对其膜层结构及性能影响很大[12-14]。杨娟等[15]研究发现,随着偏压的升高,CrN膜层表面粗糙度下降,硬度及结合强度升高;偏压过高时膜层综合性能下降,在-100V时膜层综合性能达到最佳。曾小安等[16]通过提高占空比,有效地提高了Cr膜层表面质量,并改变其择优取向。本文就电弧离子镀技术制备CrN薄膜工艺参数对其性能影响展开研究,以工作气压、靶电流和偏压为影响因素,设计正交试验,系统分析各工艺参数对CrN薄膜组织和性能的影响,为CrN薄膜工程化应用奠定一些基础数据。1试验材料与方法1.1基材前处理基材为活塞环常用材料6Cr13Mo钢,尺寸为25mm5mm。对试样进行调质和渗氮处理,打磨抛光至表面粗糙度1.2电弧离子镀制备CrN薄膜采用AS-700D离子镀设备在6Cr13Mo钢表面沉积CrN薄膜,具体执行镀膜工艺如下表1。1.3测试表征通过LEO-1530VP型场发射扫描电镜观察薄膜截面及表面形貌;采用MH-5D硬度计测量薄膜的维氏硬度,载荷为25g,加载时间15s;采用MF-4000多功能表面性能试验机通过划痕方法检测薄膜与基体的结合力,加载速度100N/min,加载范围0~100N。2结果与讨论检测CrN薄膜厚度、硬度、结合力,数据统计见表2。利用极差分析方法分析正交试验中各因素对目标函数的影响规律,得出各因素的主次关系和优化方案,见表3、4、5。表中Ki表示水平号为i(本试验i=1,2,3)时所对应的试验结果之和,ki为其平均值。R为极差,它表示任一列上R=max{K1,K2,K3}-min{K1,K2,K3}或R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}。极差反映了该因素对试验指标的影响程度,极差越大,对其影响越大。2.1工艺参数对薄膜表面形貌的影响图1为正交试验9个工艺参数所制备膜层的表面形貌,如图1所示,薄膜表面均存在熔滴颗粒,偏压、靶电流及气压等工艺参数的变化影响熔滴的存在状态从而影响薄膜的致密性。由图1可知,随着偏压的增加,熔滴数量不断减少,致密性逐渐提高。这是因为等离子体在负偏压作用下轰击沉积表面,使得表面熔滴脱落。一定范围内,随着偏压的增加,等离子体的轰击作用增强,使得细小熔滴易脱落,留下尺寸大的熔滴。当偏压过大时,大尺寸的熔滴也被等离子体轰击脱落,沉积表面熔滴数量减少,致密性得到提高。随着气体压强的增加,熔滴数量不断减少,薄膜致密性逐渐升高。这是因为,随着气压的增加,等离子体与Cr熔滴相互碰撞次数增加,散射作用增强,削弱Cr熔滴的迁移速率,从而降低其到达沉积表面的几率,薄膜表面质量得到提高。随着靶电流的增加,熔滴数

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