电弧离子镀ticn硬质薄膜的制备及性能研究(附件)【字数：11299】
摘 要摘 要TiCN薄膜具有高硬度、高韧性、强附着力、摩擦系数小、抗氧化以及导热率低等优良性能。由于多弧离子镀的沉积效率高，所以这种方法现已成为制备TiCN薄膜的一种主流方法。本论文是利用多弧离子镀设备，在已设定沉积参数下的情况下，于未渗氮和渗氮的W6Mo5Cr4V2Co5高速钢基体上分别沉积TiCN薄膜。并通过各种检测手段，如扫描电镜（SEM）、EDS、洛氏硬度计、纳米压痕仪等，对所制备的薄膜进行检测以及对其力学性能进行研究，同时使用电化学工作站测试薄膜的耐腐蚀性能，最后通过摩擦磨损试验机来检验薄膜的摩擦磨损性能。结果表明，基材是否渗氮对TiCN薄膜的表面形貌、薄膜厚度、硬度和弹性模量没有明显影响；渗氮工艺对薄膜的膜基附着力有较大的提升；在电化学方面，渗氮工艺对TiCN薄膜的耐蚀性能稍有提升；对于其摩擦磨损性能，渗氮工艺可以提高TiCN薄膜的耐磨性。关键词TiCN薄膜，多弧离子镀，摩擦磨损，电化学腐蚀
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 TiCN镀层 1
1.2.1 TiCN镀层技术发展 1
1.2.2 TiCN镀层的性能 2
1.3 多弧离子镀技术的研究现状 3
1.3.1 多弧离子镀技术的发展 3
1.3.2 多弧离子镀技术的原理 3
1.3.3 多弧离子镀技术的特点 4
1.3.4 多弧离子镀技术的应用 5
1.4 镀层刀具 6
1.5选题的目的和意义与研究内容 7
1.5.1选题的目的和意义 7
1.5.2研究内容 7
第二章 实验方法及原理 8
2.1 TiCN薄膜的制备方法与实验设备 8
2.1.1 TiCN薄膜制备的基本方法 8
2.1.2 TiCN薄膜制备设备 8
2.1.3 TiCN薄膜的沉积参数 10
2.2 薄膜的表征方法和检测设备 10
2.2.1扫描电子显微镜(SEM) 10
2.2.2能量色散谱仪(EDS) 11
2.2.3 摩擦磨损试验机 11
2.2.4 纳米压痕 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
2.2.5 膜厚测定 13
2.2.6 电化学测试 13
第三章 TiCN薄膜的性能研究 15
3.1 TiCN薄膜的表面形貌、厚度及微观结构 15
3.1.1 TiCN薄膜的表面形貌 15
3.1.2 TiCN薄膜的厚度 15
3.2 TiCN薄膜的力学性能 16
3.2.1 TiCN薄膜的膜基结合力 16
3.3.2 纳米压痕分析 17
3.3 TiCN薄膜的耐蚀性能 18
3.3.1 TiCN薄膜与基材电化学腐蚀扫描电镜图 18
3.3.2 交流阻抗图谱(EIS)的分析 18
3.3.3 Tafel极化曲线的分析 19
3.4 TiCN薄膜的摩擦磨损性能 20
3.4.1 TiCN薄膜的摩擦系数与循环次数关系 20
3.4.2 TiCN薄膜磨损后的形貌 21
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
第一章 绪论
1.1引言
随着我国国民经济的快速发展，制造业作为现代化工业的根本，其重要性不言而喻。然而，切削技术对零部件加工效率和制造成本、交货周期及新产品开发有着不容忽视的影响。因此制造业中航天航海、汽车、机械制造、模具等主要工业部门切削加工和刀具的升级也迫在眉睫。磨损造成的经济损失之大可能远远超出一般人的想像。资料显示[1]：世界一次性能源损失的三分之一是由摩擦磨损而引起的，机电设备中更是有高达70%的损坏是由于各种形式的摩擦磨损而引起的；减少磨损，除了添加润滑剂，改变表层特性也不失为一种有效的途径。表面镀膜是最近兴起的一种表面处理技术。其中纳米硬质涂层的兴起显得尤为突出，它的应用能有效地提高材料表面的韧性、耐磨性、硬度和高温稳定性等，显著地减小工件的摩擦和磨损，从而大幅度提高涂层刀具的使用寿命。顾艳红等人研究的(Ti, Al)N复合涂层用于哈尔滨刀具厂的硬质合金刀具上使得刀具寿命提高5~10倍[2]；而立方氮化硼刀具的切削效率是传统刀具的10倍，并且对CBN刀具进行涂层处理后，可进一步提高效率[3]。我国在涂层刀具的工业应用方面跟发达国家还是有着显著的差距。资料显示，发达国家的工业生产中有40%的刀具采用涂层刀具，80%的机械加工由涂层刀具完成。1995年，日本涂层刀具更是占到了机夹刀片的70% [4]。随着制造技术的高速发展，特别是高速切削、干切削和微润滑切削工艺的出现，对刀具的切削性能提出了更高要求，一些传统涂层满足不了特殊的要求。而陶瓷刀具材料具有高耐热性能、高耐磨性能、高硬度且难与金属产生粘结等优异特性，因而多层膜涂层和陶瓷纳米硬质复合膜很可能成为制作高温高速切削合金的主要刀具材料之一。因此纳米复合膜和多层膜的研究，在科学和经济等方面具有很重要的意义[5]。目前常用的制备薄膜方法有物理气相沉积(PVD)法和化学气相沉积(CVD)，同时新的薄膜制备方法不断涌现出来，如中能离子束辅助沉积法、PCVD法、离子束溅射法等[6]。目前，国内制备刀具薄膜技术一般以CVD、PVD 和PCVD等方法为主。PVD具有很多优点，比如它的工艺温度比CVD要低，同时它几乎对刀具基材的性能没有影响，而且它的工艺方案众多，这样使其在工业中的应用越来越广泛，逐渐成为现代刀具制造的核心技术之一[7]。
1.2 TiCN镀层
1.2.1 TiCN镀层技术发展
早期的钛基薄膜一般以TiC和TiN两种为主，在钻头、切削刀具上均广泛使用，其主要原因是由于这两种涂层在硬度和耐磨性方面都要明显好于未经过处理的工件，这大大提高了工件的使用寿命[89]。然而，渐渐地人们发现了TiC涂层在使用中容易脱落，这主要是因为其脆性大；而TiN涂层则在韧性方面和高温抗氧化性上都好于前者，可以满足于大多数情况下工况的要求，但是在高速切削等苟刻极端工况下使用受限，因为硬度不是很高[10]。因此能不能在两者基础上找到更合适的镀层变得极为重要，随着越来越多的人加入到膜层的研究中去，二元膜层及单一的膜层已经不能满足需求，因此国内外科学者都开始把目标定在多元及多层薄膜上，且研究出来的薄膜都表现出了比单层薄膜好的力学性能[1115]。表1展示了几种主要薄膜的性能比较。
表11 几种薄膜的主要性能比较
涂层材料
微硬度(HV)
目 录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2 TiCN镀层 1
1.2.1 TiCN镀层技术发展 1
1.2.2 TiCN镀层的性能 2
1.3 多弧离子镀技术的研究现状 3
1.3.1 多弧离子镀技术的发展 3
1.3.2 多弧离子镀技术的原理 3
1.3.3 多弧离子镀技术的特点 4
1.3.4 多弧离子镀技术的应用 5
1.4 镀层刀具 6
1.5选题的目的和意义与研究内容 7
1.5.1选题的目的和意义 7
1.5.2研究内容 7
第二章 实验方法及原理 8
2.1 TiCN薄膜的制备方法与实验设备 8
2.1.1 TiCN薄膜制备的基本方法 8
2.1.2 TiCN薄膜制备设备 8
2.1.3 TiCN薄膜的沉积参数 10
2.2 薄膜的表征方法和检测设备 10
2.2.1扫描电子显微镜(SEM) 10
2.2.2能量色散谱仪(EDS) 11
2.2.3 摩擦磨损试验机 11
2.2.4 纳米压痕 12 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
2.2.5 膜厚测定 13
2.2.6 电化学测试 13
第三章 TiCN薄膜的性能研究 15
3.1 TiCN薄膜的表面形貌、厚度及微观结构 15
3.1.1 TiCN薄膜的表面形貌 15
3.1.2 TiCN薄膜的厚度 15
3.2 TiCN薄膜的力学性能 16
3.2.1 TiCN薄膜的膜基结合力 16
3.3.2 纳米压痕分析 17
3.3 TiCN薄膜的耐蚀性能 18
3.3.1 TiCN薄膜与基材电化学腐蚀扫描电镜图 18
3.3.2 交流阻抗图谱(EIS)的分析 18
3.3.3 Tafel极化曲线的分析 19
3.4 TiCN薄膜的摩擦磨损性能 20
3.4.1 TiCN薄膜的摩擦系数与循环次数关系 20
3.4.2 TiCN薄膜磨损后的形貌 21
结 论 25
致 谢 26
参考文献 27
第一章 绪论
1.1引言
随着我国国民经济的快速发展，制造业作为现代化工业的根本，其重要性不言而喻。然而，切削技术对零部件加工效率和制造成本、交货周期及新产品开发有着不容忽视的影响。因此制造业中航天航海、汽车、机械制造、模具等主要工业部门切削加工和刀具的升级也迫在眉睫。磨损造成的经济损失之大可能远远超出一般人的想像。资料显示[1]：世界一次性能源损失的三分之一是由摩擦磨损而引起的，机电设备中更是有高达70%的损坏是由于各种形式的摩擦磨损而引起的；减少磨损，除了添加润滑剂，改变表层特性也不失为一种有效的途径。表面镀膜是最近兴起的一种表面处理技术。其中纳米硬质涂层的兴起显得尤为突出，它的应用能有效地提高材料表面的韧性、耐磨性、硬度和高温稳定性等，显著地减小工件的摩擦和磨损，从而大幅度提高涂层刀具的使用寿命。顾艳红等人研究的(Ti, Al)N复合涂层用于哈尔滨刀具厂的硬质合金刀具上使得刀具寿命提高5~10倍[2]；而立方氮化硼刀具的切削效率是传统刀具的10倍，并且对CBN刀具进行涂层处理后，可进一步提高效率[3]。我国在涂层刀具的工业应用方面跟发达国家还是有着显著的差距。资料显示，发达国家的工业生产中有40%的刀具采用涂层刀具，80%的机械加工由涂层刀具完成。1995年，日本涂层刀具更是占到了机夹刀片的70% [4]。随着制造技术的高速发展，特别是高速切削、干切削和微润滑切削工艺的出现，对刀具的切削性能提出了更高要求，一些传统涂层满足不了特殊的要求。而陶瓷刀具材料具有高耐热性能、高耐磨性能、高硬度且难与金属产生粘结等优异特性，因而多层膜涂层和陶瓷纳米硬质复合膜很可能成为制作高温高速切削合金的主要刀具材料之一。因此纳米复合膜和多层膜的研究，在科学和经济等方面具有很重要的意义[5]。目前常用的制备薄膜方法有物理气相沉积(PVD)法和化学气相沉积(CVD)，同时新的薄膜制备方法不断涌现出来，如中能离子束辅助沉积法、PCVD法、离子束溅射法等[6]。目前，国内制备刀具薄膜技术一般以CVD、PVD 和PCVD等方法为主。PVD具有很多优点，比如它的工艺温度比CVD要低，同时它几乎对刀具基材的性能没有影响，而且它的工艺方案众多，这样使其在工业中的应用越来越广泛，逐渐成为现代刀具制造的核心技术之一[7]。
1.2 TiCN镀层
1.2.1 TiCN镀层技术发展
早期的钛基薄膜一般以TiC和TiN两种为主，在钻头、切削刀具上均广泛使用，其主要原因是由于这两种涂层在硬度和耐磨性方面都要明显好于未经过处理的工件，这大大提高了工件的使用寿命[89]。然而，渐渐地人们发现了TiC涂层在使用中容易脱落，这主要是因为其脆性大；而TiN涂层则在韧性方面和高温抗氧化性上都好于前者，可以满足于大多数情况下工况的要求，但是在高速切削等苟刻极端工况下使用受限，因为硬度不是很高[10]。因此能不能在两者基础上找到更合适的镀层变得极为重要，随着越来越多的人加入到膜层的研究中去，二元膜层及单一的膜层已经不能满足需求，因此国内外科学者都开始把目标定在多元及多层薄膜上，且研究出来的薄膜都表现出了比单层薄膜好的力学性能[1115]。表1展示了几种主要薄膜的性能比较。
表11 几种薄膜的主要性能比较
涂层材料
微硬度(HV)
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